Wie funktioniert eigentlich ein Laser ?
Nähern wir uns dem Laser mal über seinen Namen: Das Wort »Laser« sind die Anfangsbuchstaben von »L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation«, also Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Alles klar?
Das »L« in Laser ist also Licht. Sie können es z. B. in einem Laser-Pointer als dünnen roten oder grünen Lichtstrahl sehen. Licht kommt aber auch aus einer Taschenlampe, und die ist ja kein Laser. In einer Taschenlampe fließt Strom durch einen dünnen Draht, überträgt dort seine Energie auf die Draht-Atome, die diese Energie in kleinen einzelnen Portionen als »Lichtteilchen« wieder abgeben. Die Energie bestimmt die Farbe. Blau bedeutet etwas mehr Energie, Rot etwas weniger. Jedes Lichtteilchen trägt eine ganz bestimmte Portion Energie und hat somit seine eigene Farbe. Die Summe aller Lichtteilchen und damit aller Farben ergibt weißes Licht.
Ein Laser funktioniert anders. Stellen Sie sich zwei Spiegel vor, die sich exakt parallel gegenüberstehen. Auch in diese Spiegel wird Energie hineingepumpt, die dort aber nicht sofort wieder abgegeben, sondern zunächst nur gespeichert wird. Die Atome des Spiegels können die gespeicherte Energie nämlich nicht von sich aus einfach so wieder loswerden, sondern sie brauchen dafür einen äußeren Anstoß. Dieser äußere Anstoß erfolgt durch ein einzelnes Lichtteilchen mit einer ganz bestimmten Energie, d. h. ganz bestimmten Farbe (z. B. Rot). Dieses Lichtteilchen fliegt von dem einen Spiegel los, trifft auf den anderen Spiegel und bewirkt dort, dass einige der Spiegel-Atome ihre gespeicherte Energie in Form von Lichtteilchen mit exakt der gleichen Energie wie das eintreffende abgeben. Diese fliegen auf exakt gleicher Linie wieder zum ersten Spiegel zurück und machen dort wieder das Gleiche. Und immer wieder hin und her. Bei jedem Auftreffen werden auf diese Weise immer mehr Lichtteilchen produziert, die alle die gleiche Energie (Farbe) haben und alle exakt parallel zueinander ausgerichtet sind. Damit haben wir das »A« in Laser, also eine enorme Verstärkung (Amplification) der Lichtintensität. Das Auftreffen des »ersten« Lichtteilchens bewirkt die Stimulation, womit wir das »S« hätten. Das Aussenden, also der Emission der gespeicherten Energie ergibt das »E«. Dies erfolgt in Form von Lichtteilchen, was die Strahlung »R« darstellt (Radiation). Lichtteilchen, die nicht exakt parallel laufen oder eine andere Energie haben, können keine Verstärkung hervorrufen und verschwinden einfach »unverstärkt«.
Ein Laser hat also (im Gegensatz zur Taschenlampe) immer eine ganz bestimmte feste Farbe und bildet ein paralleles Lichtbündel mit hoher Intensität.
In der technischen Umsetzung dieses Prinzips sind die Spiegel und das Material, das die hineingepumpte Energie speichern kann, meist getrennte Systemelemente. Man verwendet dafür häufig Kristalle (z. B. Rubin) oder Halbleiter. Das »Einpumpen« der Energie erfolgt meist elektrisch, also auch einfach durch Strom.
Die Idee zu einem Laser hatte übrigens schon 1916 Albert Einstein, von dem sogar schon der Begriff der »stimulierten Emission« (auf Deutsch) stammte. Es dauerte bis 1960, bis Theodor Maiman in den USA den ersten funktionsfähigen Laser baute.
Prof. Breckow ist Experte für Medizinische Physik und Strahlenschutz an der THM Gießen.
