Der Laser feiert seinen 60. Geburtstag
Im Jahr 1960 begann der Siegeszug dieser physikalischen Grundlagentechnik in den USA. Auch nach sechs Jahrzehnten sind ihre Möglichkeiten als Werkzeug und Messgerät in Technik und Forschung noch lange nicht ausgereizt.
60 Jahre ist es her, da erblickte nicht nur eine neue Technik das Licht der Welt. Das Neue selbst war Licht. Es geht um den Laser. Theodore Maiman erzeugte 1960 in den Hughes Aircraft Labs in den USA mit einem Rubin den ersten Laserpuls. Seither ist der Laser als Werkzeug und Messgerät nicht mehr wegzudenken. Das bemerken wir schon in unserem Alltag. Unter „Augen lasern“verstehen wir die Korrektur einer Hornhautkrümmung mittels Laserstrahlen, die eine Brille entbehrlich macht. Polizisten setzen die „Laserpistole“zur Geschwindigkeitsmessung ein. Mit einem „Laserpointer“herumfuchtelnd erklärt der Referent seine Powerpoint-Präsentation.
Halbleiterlaser für DVD-Laufwerke sind so klein wie ein Sandkorn, in Experimenten zur Laserfusion füllt der Strahler dagegen eine Fabrikhalle. Bei allen Unterschieden eint ein universelles Funktionsprinzip alle Laser. Der Name steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“(„Licht-Verstärkung durch die stimulierte Emission von Strahlung“). Der Strahler besteht aus einem Lasermaterial und einem sogenannten Resonator.
Im Lasermaterial, bei Maiman war das ein synthetischer Rubinkristall, können sich die Atome in zwei Energiezuständen befinden, im Grundzustand und im angeregten Zustand. Zur Anregung nutzen Forscher etwa Blitzlicht, elektrischen Strom oder einen weiteren Laser. Fällt nun eines der angeregten Atome in den Grundzustand zurück, stimuliert es die anderen, ihm zu folgen. Dabei wird Licht einer bestimmen Farbe abgestrahlt. „Wie bei einer umklappenden Reihe von Dominosteinen gehen die Atome in den Grundzustand“, erklärt der Marburger Physiker Jens Güdde. Befindet sich das Lasermedium zwischen zwei Spiegeln, in einem sogenannten Resonator, so schaukelt sich der Prozess hoch, das Licht wird verstärkt und am Ende durch einen der beiden meist semi-transparenten Spiegel abgestrahlt.
Bei einem Dutzend Nobelpreisen stand der Laser im Mittelpunkt der
Forschung oder war zumindest wesentliches Messinstrument. Das gilt auch zum Beispiel für die Untersuchung sogenannter Gravitationswellen aus dem Weltall. Sie dehnen oder strecken die Raumdimensionen um Bruchteile eines Atomdurchmessers. Das lässt sich heute per Laser messen.
Laser gibt es für viele Anwendungen – und das bedeutet immer für viele unterschiedliche Wellenlängen. So kann Karies bei Wellenlängen von zwei Mikrometern (millionstel Meter) mit einem Dentallaser entfernt werden. Stähle schweißen und schneiden Laser von typischerweise zehn Mikrometern Wellenlänge. „Bei rund sechs Mikrometern können wir der Proteinfaltung zuschauen“, erläutert der Physiker Harald Giessen von der Universität Stuttgart. Hier gehe es darum, Schwingungen von Biomolekülen zu messen. Daraus lasse sich ableiten, wie Proteine durch eine spezielle Faltung ihre Wirksamkeit und Aktivität erhalten.
Zwei Forschungsaspekte möchte Giessen hervorheben. So arbeite eine seiner Arbeitsgruppen daran, Laser noch besser durchstimmbar zu machen. Mit „Durchstimmen“
Professor Harald Giessen
meinen die Forscher die Wellenlänge, also die Farbe des Laserlichts. Die soll sich bei hoher Laserleistung und kurzen Pulsen in einem weiten Bereich verändern lassen. Und alles soll schließlich in eine kompakte Box auf den Schreibtisch passen. Interessant findet der Physiker aber auch den Ansatz seines Kollegen Federico Capasso von der Harvard-Universität in den USA, der mit seiner Forschung in einen neuen Frequenzbereich vordringen will, den sogenannten Terahertzbereich. Der liegt unsichtbar zwischen Mikrowellen und Infrarot. Solche Geräte wären ein ganz neues Werkzeug, um berührungslos und durch Materialien hindurch zu messen, sagt Giessen. „Medikamente könnten in Verpackungen geprüft werden, ohne diese aufzumachen.“
Für Thomas Graf von der Universität Stuttgart ist der Laser ein universelles Werkzeug für die Produktion. Etwa um Materialien zu bearbeiten. Der Laser arbeite äußerst präzise, berührungslos, kraftfrei und verschleiße nicht. Damit können Laser-Produktionsmaschinen die Materialien und Bauteile trennen, verformen, bohren, zusammenschweißen, beschichten und selbst
Materialeigenschaften wie etwa die Oberflächenhärte verändern. Für jede Aktion braucht`s allerdings ein eigenes Gerät und Thomas Graf sieht die Zeit reif, eine universelle Lasermaschine zu bauen, die alle Prozesse zusammenführt. Jüngst haben Forscher einen gepulsten Laser mit einer Ausgangsleistung von zehn Kilowatt (10 000 Watt) vorgestellt. Das sei die Zukunft, ist sich Graf sicher. Heutige Geräte hätten 100 Watt Leistung.
Eine hohe Leistung bedeute, dass mehr Material pro Zeiteinheit bearbeitet werden könne, was die Produktivität steigere und die Kosten reduziere. Bislang ließen sich solche Leistungen aber in der industriellen Produktion nicht umsetzen. Die Uni Stuttgart hat dazu eigens eine Forschungsprofessur ausgeschrieben, um mögliche Technologiewege für moderne Lasermaschinen zu erkunden.
„Medikamente könnten
in Verpackungen geprüft werden, ohne diese aufzumachen.“
Universität Stuttgart