Der Laser ist nun 40 Jahre alt, und wir beginnen gerade erst damit, seine Möglichkeiten wirklich voll auszunutzen. Hier werden sehr knapp die herausragenden Charakteristika des Lasers beschrieben und einige typische Beispiele für Anwendungen angeführt. Es folgt eine völlig subjektive Auswahl von Links auf deutschsprachige Webseiten über Laser und ihre Anwendungen.
Ein Laser besteht im Prinzip aus einem lichtverstärkenden Medium in einem aus Spiegeln gebildeten Resonator sowie einer externen Energiequelle (Bild 1). In das Verstärkungsmedium wird von außen Energie "hineingepumpt". Diese Energie kann dann in Form von Lichtteilchen, so genannten Photonen, wieder abgegeben werden.
| Bild 1: Schematischer Aufbau eines Lasers | |
Dieser Prozess ist etwas genauer in Bild 2 skizziert. Die Atome des Verstärkungsmediums werden durch die Energie der Pumpe vom Grundzustand in einen angeregten Zustand gebracht (Bild 2 links). Wenn ein passendes Lichtteilchen (Photon) vorbeikommt, so kann es das Atom dazu stimulieren, seine überschüssige Energie abzugeben und in den Grundzustand zurückzufallen (Bild 2 rechts). Entscheidend dabei ist, dass diese Energie ebenfalls in Form eines Photons abgegeben wird, und zwar eines, welches in jeder Hinsicht ununterscheidbar vom ersten Photon ist. Im Endeffekt gibt es nun also zwei Photonen statt eines. Jedes dieser Photonen kann nun wiederum jeweils ein weiteres angeregtes Atom zur Abgabe eines identischen Photons anregen, sodass in einer wahren Kettenreaktion die Zahl der Photonen lawinenartig anwächst. Dieser Effekt lässt sich noch verstärken, wenn man die Photonen mit den Resonatorspiegeln immer wieder hin- und herwirft und sie so das Verstärkungsmedium vielfach durchlaufen lässt. Der auf diese Weise entstandene Laserstrahl kann dann durch einen der beiden Spiegel, der leicht durchlässig ist, aus dem Laser austreten.
| Bild 2: Funktionsprinzip des Lasers: in einem zyklischen Prozess absorbieren Atome im Verstärkungsmedium die Energie der Pumpquelle und geben sie in Form von Lichtteilchen (Photonen) wieder ab. Jedes neue Photon ist identisch mit allen anderen schon vorhandenen, sodass sich schnell ein starker und gerichteter Lichtstrahl aufbauen kann. An den Computermodellen hier können Sie diese Prozesse online simulieren. |  |
Die herausragenden Eigenschaften des Lasers sind seine hohe räumliche und zeitliche Kohärenz. Die räumliche Kohärenz bedeutet, dass der Strahl stark gebündelt und gerichtet ist und sich daher gut auf kleinsten Raum fokussieren läßt. Das wird zum Beipiel in jedem CD- bzw. DVD-Spieler ausgenutzt, um die mikroskopisch kleinen Strukturen auf der CD mit einem feinen Laserlichtfleck auszulesen. Gleichzeitig aber kann auch eine enorme Energie in einem kleinen Raumbereich konzentriert werden, was zur Materialbearbeitung ausgenutzt werden kann. Viele industrielle Fertigungsprozesse werden heute mit dem Laser durchgeführt, so zum Beispiel Schweißen, Bohren und Schneiden von Stahl, Keramik und Kunststoffen. Auch in der Medizin finden sich mittlerweile Anwendungen, beispielsweise als "Laserskalpell".
Die zeitliche Kohärenz bedeutet, dass das Licht des Lasers extrem monochromatisch, einfarbig, ist: die gesamte Leistung des Laserstrahls ist bei einer einzigen Farbe konzentriert. Damit bieten sich vor allem für die Spektroskopie einzigartige Möglichkeiten, also für die Untersuchung der Wechselwirkung von Licht mit Materie. In ihrer über hundertjährigen Geschichte hat uns die Spektroskopie immer wieder neue und entscheidende Erkenntnisse über den Aufbau der Materie gebracht. Gerade durch den Laser hat sich dieses Forschungsgebiet in den letzten Jahren rasant entwickelt (siehe Bild 3 für ein Beispiel).
| Bild 3: Ein Beispiel für die dramatischen Verbesserung, die der Laser in der Spektroskopie – und damit in unserer Kenntnis von der Natur – ermöglicht hat. Aufgetragen ist die restliche Unsicherheit in der Kenntnis des energetischen Abstands zwischen dem Grundzustand und dem ersten angeregten Zustand des Wasserstoffatoms, des einfachsten aller Atome. Mitte der siebziger Jahre führte die Ersetzung der bis dahin verwendeten Lampen durch Laser zu einer starken Verbesserung und sogar zu einer Beschleunigung des Fortschritts. Im Jahre 1992 konnte erstmals die große Kohärenz des Lasers für diese Anwendung voll ausgenutzt werden, was eine weitere Beschleunigung der Entwicklung nach sich zog (Genaueres dazu hier). Diese spezielle Kenngröße des Wasserstoffatoms ist also nun auf vierzehn Dezimalstellen genau bekannt! |  |
Hier nun eine kurze und sehr subjektive Auswahl von Verweisen speziell auf deutschsprachige Seiten zum Thema Laser. Diese Liste ist bei weitem nicht vollständig; insbesondere tauchen keine Arbeitsgruppen auf, deren Webseiten nur auf Englisch verfügbar sind.
Wie funktioniert ein Laser? Inklusive Animationen zum Anfassen
Was sind Spektrallinien? Ebenfalls mit Animationen zum Anfassen.
Was lernen wir daraus für den Aufbau von Atomen und die Chemie (Periodensystem)? Wieder mit Animationen zum Anfassen.
Der Laser als Werkzeug der Spektroskopie und der Chemie.
Nachweis von Gravitationswellen.
Der Laser in der industriellen Fertigung.
Entwicklung neuer Laser und Erschließung neuer Einsatzfelder.
Autor: Robert Wynands, Institut für Angewandte Physik, Univ. Bonn
Veröffentlicht im November 2000 im Jahr der Physik auf www.astro.unibonn.de/~deboer/pdm/pdminstlas.html
Anpassungen: 2008.03.21, KSdB