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26.10.2005

Wie Farbe Laser stark macht

Bei der ganz besonderen Form des Lichts marschieren die Lichtteilchen im Gleichschritt

Laserlicht kann menschliche Haut durchtrennen, Stahl schneiden oder mit höchster Präzision die Oberflächen von Musik-CDs abtasten. Mit dem normalen Licht einer Glühbirne geht das nicht. Diese besondere Fähigkeit verdankt das Laserlicht einer Armee gleichfarbiger, im Gleichschritt marschierender Lichtteilchen – oder etwas physikalischer ausgedrückt: der Tatsache, dass das Laserlicht einfarbig und kohärent ist.

Das Prinzip des Laserlichts hat Einstein bereits 1916 vorhergesagt - erst 40 Jahre später konnte die Idee in die Praxis umgesetzt werden.

"Kohärent" bedeutet, dass sich die Berge und Täler der Lichtwellen exakt überlagern und dass sich das Licht genau in die gleiche Richtung ausbreitet, dass die Lichtteilchen sich also parallel bewegen. Die Parallelität ist die eine Voraussetzung dafür, dass das Licht von einer Linse exakt auf einen Punkt fokussiert werden kann. Die andere ist die Einfarbigkeit. Denn Licht verschiedener Wellenlängen – wie beispielsweise das Licht einer Glühbirne – wird von einer Linse nur näherungsweise, aber nie genau auf einen Punkt gebündelt.

Das physikalische Grundprinzip des Lasers hatte Albert Einstein bereits 1916 theoretisch vorhergesagt – mehr als 40 Jahre vor seiner Erfindung: Ein farbiges Lichtteilchen – ein Photon – trifft auf ein Atom und nimmt von dort einen gleichfarbigen "Kumpel" mit, der mit ihm im Gleichschritt in die gleiche Richtung marschiert, in der das erste Photon unterwegs war. Beide treffen zwei weitere Atome mit zwei weiteren Photonen. Die vier holen vier weitere Kumpel ab und so weiter. So wird aus einem einzelnen Lichtteilchen sehr schnell eine ganze Armee gleichfarbiger Photonen. Doch damit diese so genannte stimulierte Emission funktionieren kann, müssen zunächst einige physikalische Vorbereitungen getroffen werden.

In Atomen halten sich die Elektronen in Bahnen um den Atomkern auf. Nach den Regeln der Quantenmechanik dürfen die Elektronen dabei nur bestimmte Energiebahnen besetzen. Die Zwischenräume sind tabu. Dabei gilt: Je weiter das Elektron vom Atomkern entfernt ist, desto mehr Energie besitzt es. Jedoch ist es den Elektronen erlaubt, ihre Bahn zu wechseln. Dabei gewinnen oder verlieren sie Energie – je nachdem, ob sie eine Bahn nach oben oder eine nach unten springen.

Hochpräzise Laserwerkzeuge sind heute aus der Metallbearbeitung nicht mehr wegzudenken.
Hochpräzise Laserwerkzeuge sind heute aus der Metallbearbeitung nicht mehr wegzudenken.

Um nach oben springen zu können, benötigt das Elektron also zusätzliche Energie. Diese kann es beispielsweise von einem Photon bekommen, das vom Elektron "geschluckt" wird. Da das Elektron aber nicht zwischen den erlaubten Bahnen landen darf, muss die Energie des Photons genau passen. Da bei den Photonen Energie und Wellenlänge voneinander abhängen, folgt daraus aber auch, dass das Photon eine ganz bestimmte Wellenlänge – also eine bestimmte Farbe – haben muss. Umgekehrt wird von dem Elektron ein Photon derselben Farbe "ausgespuckt", wenn es von der höheren Bahn zurück auf die niedrigere fällt.

Dieses Herunterfallen auf eine niedrigere Bahn geschieht in der Natur in der Regel "spontan", das heißt ohne irgendeine äußere Ursache. Man kann lediglich sagen, dass es typischerweise weniger als eine Millionstel Sekunde dauert, bis ein angeregtes Elektron wieder herunterfällt und dabei ein Photon ausstrahlt. Sind die Elektronen vieler Atome gleichzeitig angeregt worden, dann werden diese aber mit Sicherheit nicht gleichzeitig wieder auf die untere Bahn springen, sondern jedes "entscheidet" für sich, wann es innerhalb der nächsten Millionstel Sekunde zurückspringt und ein Photon abgibt. Das Resultat ist gewöhnliches "ungeordnetes", also inkohärentes Licht.

Im Jahr 1916 hatte Albert Einstein jedoch folgendes herausgefunden: Trifft ein Photon der passenden Wellenlänge auf ein bereits angeregtes Elektron, dessen Abstand zur niedrigeren Bahn gerade der Energie des ankommenden Photons entspricht, dann kann dieses Elektron zur Abstrahlung "seines" Photons stimuliert werden. Aus einem Photon sind damit zwei Photonen gleicher Farbe geworden, die zudem in die gleiche Richtung fliegen. Außerdem schwingen ihre Wellen ordentlich, also kohärent im Gleichtakt.

Damit stünde dem bereits eingangs geschilderten "Kumpelprinzip" des Laserlichts eigentlich nichts mehr im Wege. Man muss nur kontinuierlich mit einer äußeren Energiequelle – der so genannten Pumpquelle – für die Anregung der Elektronen in den Atomen sorgen, dann holt ein Photon das nächste "zu Hause" bei seinem Atom ab. Wäre da nicht noch ein Problem: Die meiste Zeit über sind die Photonen gar nicht zu Hause. Oder physikalischer ausgedrückt: Wegen der kurzen Zerfallszeit der angeregten Elektronenzustände von weniger als einer Millionstel Sekunde sind die Elektronen trotz kontinuierlicher Energiezufuhr von außen die meiste Zeit über auf ihren niedrigen Bahnen.

Die Lösung ist die so genannte Besetzungsinversion: Man muss halt dafür sorgen, dass es umgekehrt ist, dass die Elektronen sich also die meiste Zeit über auf den höheren Bahnen befinden. Ob und wie genau das gelingt, hängt von der Wahl eines geeigneten Lasermaterials ab. In einem Rubinkristalllaser gibt es beispielsweise für die Elektronen neben einem angeregten Zustand einen weiteren metastabilen Zustand, der zwischen dem angeregten und dem Grundzustand liegt. Auch im Rubinkristall fallen die Elektronen sehr schnell spontan von dem angeregten Zustand herunter – aber nicht sofort zurück in den Grundzustand, sondern zunächst in den dazwischenliegenden metastabilen Zustand. Der Vorteil: Die spontane Zerfallszeit des metastabilen Zustandes beträgt vier Tausendstel Sekunden, ist also mehr als tausendmal länger als die des angeregten Zustandes. Damit befinden sich dauernd genügend Elektronen in dem metastabilen Zustand, die bei Bedarf ein Photon aussenden können.

Zusammenfassend funktioniert ein Laser folgendermaßen: Dem eigentlichen Lasermaterial – in unserem Beispiel dem Rubinkristall – wird von einer Pumpquelle, beispielsweise einer starken Lichtquelle, Energie zugeführt, um die Elektronen auf ein höheres Energieniveau zu heben. Nachdem die ersten Elektronen spontan herabgesprungen sind, greift das Kumpelprinzip. Jedes bereits entstandene Photon holt weitere gleichfarbige Kumpel ab, wodurch das Laserlicht kontinuierlich verstärkt wird.

Eine weitere Verstärkung des Lichts erreicht man dadurch, dass man den Rubinkristall zwischen zwei Spiegeln platziert. Die Photonen werden also immer wieder zurückreflektiert und holen bei den gleichen, inzwischen wieder mit Energie "aufgepumpten" Atomen weitere Photonen ab. Zudem wird dadurch die Parallelität des Lichts verbessert. Denn alle Photonen, die sich nicht exakt senkrecht zu den Spiegeln bewegen, verlassen den Laser früher oder später, weil sie an den Spiegeln vorbeifliegen.

Um das Laserlicht nutzen zu können, muss es den Laser natürlich verlassen. Dazu macht man einen der beiden Spiegel teildurchlässig. Je nach Lasertyp reflektiert dieser Spiegel zwischen 20 und 98 Prozent des Lichts zurück ins Innere des Lasers. Der Teil des Lichts, das den Spiegel nach außen durchdringt, ist für Anwendungen nutzbar – zum Schweißen, Schneiden, Scannen und hochpräzisen Abtasten von Oberflächen. (at)