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60 Jahre Laser: Ein ganz besonderes Licht

Am 16. Mai 1960 leuchtete das erste Mal ein Laserstrahl auf – der Beginn einer beispiellosen Technikrevolution.
LaserstrahlLaden...

CD-, DVD- und Blu-Ray-Geräte nutzen sie ebenso wie der Warenscanner an der Supermarktkasse. Sie können Stahl schneiden, chirurgische Eingriffe vornehmen und sogar Computerchips herstellen. Und dann ist da noch ihre nicht ganz unwichtige Rolle in Sachen Kommunikation: Ein großer Teil der Signalübertragung im Internet läuft über Infrarotpulse, die entweder durch LED-Leuchten ins Glasfaserkabel eingespeist werden – oder eben mit Lasern.

Begonnen hat der Siegeszug des gebündelten Lichts vor 60 Jahren, am 16. Mai 1960 im kalifornischen Malibu. Theodore Maiman schaltete damals zusammen mit seinem Assistenten Irnee D’Haenens eine faustgroße Kiste ein. Sie warf daraufhin einen hellen rosaroten Punkt auf einen Photodetektor: das erste von Menschen erzeugte Laserlicht.

Stimuliertes Licht im Gleichtakt

In der Apparatur geschah etwas, das Albert Einstein schon 1916 vorhergesehen hatte: Man kann Atome durch Bestrahlung mit Licht dazu zwingen, noch mehr Licht abzugeben. Für diese »stimulierte Emission« müssen die Atome bereits »angeregt« sein; es muss also Elektronen in einem erhöhten Energieniveau geben (etwa dadurch, dass sie im Vorfeld Strahlung absorbiert haben). Passiert solch ein Atom anschließend ein Lichtteilchen mit genau der richtigen Energie, gibt das Atom ein weiteres Lichtteilchen ab – es kommt zu einer Verdopplung der Strahlungsstärke. Sämtliches Licht, das auf diese Weise entsteht, hat dieselbe Wellenlänge. Außerdem schwingt es gewissermaßen im Gleichtakt, Physiker sprechen von derselben »Phase«.

Damit unterscheidet sich Laserlicht deutlich von gewöhnlicher Strahlung, wie sie etwa aus Glühbirnen entweicht: Deren Licht gleicht eher einem bunten Strauß aus ganz verschiedenen Wellenlängen und Phasen. Laser sind dagegen so etwas wie Ordnungsliebhaber. Was einen großen Vorteil mit sich bringt: Ihr Licht lässt sich viel besser fokussieren und verstärken.

Jahrzehntelang hielten Einsteins Kollegen die Idee von der stimulierten Emission zwar für interessant. Aber sie wussten nicht so recht, zu welchem Zweck man sie eigentlich umsetzen sollte – und mit welchen Mitteln. Erst Anfang der 1950er Jahre gelang es US-Forschern, einen Verstärker für Mikrowellen zu entwickeln, der auf dem Prinzip beruhte. Die Einsatzmöglichkeiten dieses »Masers« waren – und sind – allerdings sehr begrenzt, auch weil Mikrowellen viel weniger Energie transportieren als sichtbares Licht.

Der erste Laser bestand aus einem Edelstein

Im Jahr 1957 entwickelten dann zwei Forscher von den berühmten Bell Laboratories eine Theorie, wie man das vom Maser bekannte Prinzip auf sichtbares Licht übertragen könnte. Zur selben Zeit ersann der US-Physiker Gordon Gould einen Namen für solch ein Gerät. Er kam dabei auf »Laser«, eine Abkürzung für »light amplification by stimulated emission of radiation«. Zu Deutsch: »Lichtverstärkung durch stimulierte Aussendung von Strahlung«.

Theodore Maiman las die Arbeiten seiner Kollegen – und machte sich wie andere Teams daran, einen ersten Laser zu bauen. Er war damals an den Hughes Research Laboratories beschäftigt, einer Unterabteilung der Flugzeugfabrik Hughes Aircraft Company. Das Basteln mit Elektronik hatte der US-Amerikaner gewissermaßen in die Wiege gelegt bekommen: Maimans Vater war ein hervorragender Elektroingenieur, wovon der Sohnemann enorm profitierte. Schon im Teenager-Alter reparierte er Radios und andere Gerätschaften in der Nachbarschaft. Später an der Universität hatte Maiman dann das Glück, bei Nobelpreisträger Willis Lamb zu promovieren, wobei er bereits mit Masern experimentierte.

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Alexander Prochorow, Theodore H. Maiman | Theodore Maiman (rechts) und sein sowjetischer Kollege Alexander Prochorow, Nobelpreisträger für Physik des Jahres 1964, nutzen einen Laser, um eine Zigarette anzuzünden. Das Bild entstand 1973 auf einer Messe in München.

Dank Bastlertalent und Ausbildung in der Spitzenforschung gelang es Maiman und seinem Assistenten Irnee D‘Haenens schließlich als Ersten, einen Laser zum Laufen zu bringen. Er basierte auf einem synthetischen Rubin. Mit Hilfe einer Blitzlichtquelle regten die Forscher die Atome darin an, die Elektronen hüpften also in ein höheres Energieniveau. Bald darauf verließen sie diesen Zustand wieder und gaben Licht ab. Da die beiden Enden des Edelsteins mit einer stark reflektierenden Schicht aus Silber überzogen waren, konnte es den Edelstein zunächst nicht verlassen, sondern stimulierte andere Atome dazu, identische Strahlung zu emittieren. Entweichen konnte das Laserlicht dann letztlich auf einer Seite, wo die Silberfolie etwas dünner war.

Grundlagenforschung, die die Welt veränderte

Hätte man damals jemanden gefragt, wozu das gut sein soll, hätten alle Beteiligten nur mit den Schultern gezuckt. Das Ganze sei eine »Lösung, die nach einem Problem sucht«, pflegte Irnee D'Haenens zu sagen. Wie speziell die Erfindung des Lasers damals erschien, lässt sich auch an der Publikationsgeschichte ablesen: Zunächst reichte Maiman sein Manuskript bei den renommierten »Physical Review Letters« zur Veröffentlichung ein. Die Herausgeber lehnten es jedoch ab – im Nachhinein wohl eine der größten Fehlentscheidungen in der Geschichte der Zeitschrift. Die Konkurrenz von »Nature« schlug dagegen zu und veröffentlichte den wegweisenden Fachaufsatz schließlich in der Augustausgabe.

Anderen Teams gelang bald darauf eine Weiterentwicklung: Maimans Rubinlaser sendete bloß gepulste Strahlung aus, da die Blitzlichtlampe die Atome immer nur für einen kurzen Augenblick anregen konnte. Das ermöglichte es den überrumpelten Forschern der Bell Labs, nachzuziehen: Schon Ende 1960 stellten sie den ersten kontinuierlich strahlenden Laser her.

Der Weg zum Laser war für Maiman insgesamt steinig gewesen. Zwar brachten die Labore seines Arbeitgebers dank gut laufender Militäraufträge und einiger hochqualifizierter Forscher damals eine ganze Reihe von Innovationen hervor. Beim Laser waren Maimans Vorgesetzte aber eher knausrig gewesen. Obwohl der Physiker zu der Zeit immerhin schon einen stark miniaturisierten Maser entworfen hatte, erhielt er gerade einmal 50 000 Dollar für die Entwicklung eines Lasers – und das auch nur, weil er mit Kündigung drohte. Die großen Konkurrenzlaboratorien investierten dagegen Millionen von Dollar.

1961, nur ein Jahr nachdem er den ersten Laser zum Laufen gebracht hatte, hatte Maiman genug von der Arbeit im Großkonzern: Er kündigte und gründete mit Kollegen eine eigene Firma, die sich mit dem Bau von Lasern beschäftigte. Vermutlich folgte Maiman damit auch einem Rat seines Vaters. Dieser hatte 40 Jahre lang bei einem großen Unternehmen gearbeitet und zahlreiche neue Geräte entwickelt, einige davon enorm erfolgreich. Maiman Senior erhielt dafür jedoch nur wenig Anerkennung – und insbesondere keine Patentrechte, die ihm als Selbstständigem viel Geld eingebracht hätten.

Der Schritt ins freie Unternehmertum scheint sich für seinen Sohn am Ende ausgezahlt zu haben: Maiman baute letztlich mehrere Laserfirmen auf, meldete viele Patente an und arbeitete in der Führungsetage von Technologieunternehmen. Auch wissenschaftlich erhielt er jede Menge Anerkennung: Zwar blieb ihm der Nobelpreis verwehrt, trotz zweifacher Nominierung. Dafür bekam er andere hochkarätige Würdigungen zugesprochen. Und im Jahr 2000, sieben Jahre vor seinem Tod, profitierte er selbst von seiner Erfindung: Am Münchner Klinikum Großhadern ließ er sich mit Hilfe von Lasern an der Prostata operieren.

Einsatz in Medizin und Militär

Schon kurz nach der Erfindung des Lasers hatten Mediziner erkannt, welche Chancen die Technologie bietet. 1961 setzten sie erstmals eines der Geräte in der Augenheilkunde ein: Mit Hilfe eines Rubinlasers zerstörten sie bei einem Patienten einen Tumor in der Retina. Bald darauf begann ein Wettrennen, welches Labor den stärksten Laser bauen konnte. Anfangs nahm man die Zahl an Rasierklingen, die ein Laser durchbohren konnte, als Maßstab für die Laserstärke. Zeitungen brachten das neue Gerät auf die Titelseite und spekulierten über »Todesstrahlen«, die als Wunderwaffe im Kalten Krieg dienen könnten.

Tatsächlich war es das Militär, das eine erste Anwendung entwickelte: 1967, im Vietnam-Krieg, nutzte die US-Luftwaffe Laser, um die Zielgenauigkeit von Bombern zu verbessern. In den Jahren darauf folgten zivile Anwendungen – etwa ein Haarentfernungsgerät, das der Hersteller wegen Sicherheitsbedenken allerdings wieder vom Markt nehmen musste.

Der erste kommerzielle Erfolg waren dann ab 1974 Barcode-Scanner in Supermärkten. Aber auch Bands wie Pink Floyd oder The Who nutzten Laserstrahlen für ihre Lightshows. Ab den 1980er Jahren gab es erste Laserpointer im Angebot, die anfangs hunderte Dollar kosteten. Ein gewisser George Lucas hörte ebenfalls von der Technologie: Er ließ die Helden und Bösewichte seiner Star-Wars-Saga kurzerhand mit Laserschwertern gegeneinander antreten – eine überaus kreative Synthese der damals noch brandneuen Lasertechnik mit den Schwertkämpfen aus Ritter- und Piratenfilmen.

Bis heute sind Lichtschwerter ein Traum der Sciencefiction, der physikalisch nicht umsetzbar ist. Dafür entwickelte sich die Lasertechnik ab den 1980er Jahren an anderer Stelle stark weiter: Wissenschaftler identifizierten immer mehr Materialien, die sich als Basis für Lasergeräte eignen. So gibt es Gas-, Farbstoff- und Faserlaser – und noch viele zusätzliche Typen, die sich für alle möglichen Zwecke einstellen lassen.

Optische Pinzetten und exotische Materiezustände

Wie Forscher heute wissen, kommen Laser sogar als natürliches Phänomen im Weltall vor: Die Atmosphären von Mars und Venus senden – angeregt von der Sonnenstrahlung – mitunter Laserstrahlung aus. Das Gleiche passiert in Gaswolken rund um manche Sterne.

Apropos Wissenschaft: Sie ist vielleicht der größte Nutznießer der Erfindung. Mit optischen Pinzetten aus Laserstrahlen dirigieren Forscher heutzutage einzelne Zellen. Mit Lasern halten sie auch isolierte Atome gefangen und untersuchen exotische Materiezustände nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt. Mit Laserstrahlung lassen sich sogar Atomkerne miteinander verschmelzen, zumindest vereinzelt.

Schätzungen zufolge hängt rund die Hälfte des Bruttoinlandsprodukts moderner Industrienationen von der Lasertechnik ab. Im Zuge der immer weiter voranschreitenden Digitalisierung wird dieser Anteil wohl nochmals zunehmen. Es wäre also nicht ganz falsch, würde man unsere Epoche nicht nur das Internetzeitalter, sondern auch das Laserzeitalter nennen.

21/2020

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 21/2020

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