Laser – das magische Licht

Das Wort Laser ist die Abkürzung für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, zu Deutsch Lichtverstärkung durch stimuliertes Aussenden von Strahlung. Es bezeichnet ein Gerät, das zu den wichtigsten Bauteilen in Wissenschaft und Technik zählt; ohne Laser wären die Unterhaltungselektronik und die Computerwelt undenkbar. Der erste Laser lief am 16. Mai 1960 in Kalifornien.

„Wir geben heute bekannt, dass Menschen ein Ziel erreichten, das die Wissenschaft seit vielen Jahren verfolgt. Zum ersten Mal in der Geschichte wurde eine Quelle für kohärentes Licht geschaffen. Mit anderen Worten, der seit langem erstrebte ‚Laser‘ ist kein flüchtiger Traum mehr, sondern eine wohl begründete Tatsache.“

Das sagte der Physiker Theodore Maiman am 7. Juli 1960 auf einer Pressekonferenz seines Arbeitgebers, der Technikfirma Hughes. Sie fand im New Yorker Hotel Delmonico statt – heute ist es ein Apartmenthaus und heißt Trump Park Avenue – und galt einem optischen Werkzeug, dem Laser. Es wurde an verschiedenen Orten erforscht, die physikalischen Prinzipien waren den Experten vertraut; es hatte aber noch niemand einen Laser zum Laufen gebracht. Das gelang erst Maiman und seinem Team am 16. Mai 1960 im Hughes-Labor in Malibu bei Los Angeles.

Theodore Maiman und sein Laser im Jahr 1985 CC BY-SA 4.0

Der Name Laser steht für “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” und deutet die Arbeitsweise an. Atome eines Kristalls werden auf ein erhöhtes Energieniveau gebracht – wir überspringen die quantentheoretischen Hintergründe – und bei der Rückkehr zum Normalzustand veranlasst, weitere Photonen auszusenden. Das ist die stimulierte Emission von Strahlung. Durch die Platzierung des Kristalls zwischen zwei Spiegeln entsteht eine Kettenreaktion mit der Erzeugung vieler Photonen und die Lichtverstärkung in Gestalt des Laserstrahls. Gasförmige und flüssige Laser überspringen wir ebenfalls.

Beim Versuch im Mai 1960 benutzte Maiman einen zwei Zentimeter langen künstlichen Rubin, der in einer spiralförmigen Blitzlichtlampe steckte, siehe Eingangsbild. Der Strahl, der aus dem Laser kam, erfüllt einen alten Physikertraum. Er war kohärent, das heißt, er besaß eine genau definierte Frequenz im Spektrum des sichtbaren Lichts. Die Lichtwellen lagen parallel und breiteten sich in einer einzigen exakt definierten Richtung aus. Nebenbei realisierte der Laser die alte Science-Fiction-Idee der Energiestrahlen.

Einen Vorläufer des Lasers schilderte der Schriftsteller H. G. Wells 1897 im Roman „Krieg der Welten“; die Marsianer, die England erobern, verwenden einen tödlichen Hitzestrahl. Den grundlegenden physikalischen Effekt des Lasers, die stimulierte Emission, beschrieb Albert Einstein 1916. Der amerikanische Physiker Charles Townes setzte das Konzept als Erster in die Wirklichkeit um. 1953 baute er in der Columbia-Universität in New York einen Maser („Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation“). Die Anlage verstärkte Wellen im Zentimeterbereich mit Hilfe von gasförmigem Ammoniak.

Charles Townes und der von ihm gebaute Maser, aufgenommen 1955

1957 skizzierte der New Yorker Physiker und Erfinder Gordon Gould den Laser, wie wir ihn kennen; er kreierte auch den Namen. Er scheiterte jedoch bei der Patentanmeldung. Das erste Laser-Patent ging an Charles Townes und den in den Bell-Laboratorien in New Jersey tätigen Arthur Schawlow. Sie meldeten es am 30. Juli 1958 an und erhielten es am 22. März 1960 zugesprochen. Das Wort „Laser“ tauchte allerdings im Text nicht auf, Schawlow und Townes sprachen stets von einem Maser. Dasselbe gilt für einen Film, den die Bell Labs 1963 über die Erfindung drehten; er erwähnte nur einen „optical maser“.

Keine Angst vor dem L-Wort hatte Theodore Maiman. Er wurde am 11. Juli 1927 als Sohn eines Ingenieurs in Los Angeles geboren und wuchs in Denver in Colorado auf. Maiman studierte Physik und machte seinen Doktor in der Stanford-Universität, 1955 erhielt er die Anstellung bei Hughes. Nach der Entwicklung des Lasers verließ er das Unternehmen und arbeitete für mehrere High-Tech-Firmen. Dieser Film zeigt ihn 1983. Später lehrte er in einer Hochschule im kanadischen Vancouver. Er starb am 5. Mai 2007. Wer sich im Internet Archive anmeldet, findet dort seine Autobiographie aus dem Jahr 2000.

Die Nachricht von seinem Laser erreichte 1960 auch Europa; das war eine dpa-Meldung vom 15. Juli. Am 6. August stand Maimans eigene Veröffentlichung in der Zeitschrift Nature. Ein Patent meldete er im April 1961 an, erteilt wurde es am 17. November 1967. Den Nobelpreis hat Theodor Maiman nie bekommen. Über den Preis freuen konnten sich dagegen Charles Townes, Arthur Schawlow und eine ganze Anzahl anderer Laser-Forscher, darunter der aus Weimar stammende und später in den USA tätige Herbert Kroemer.

Grafik aus dm Maser-Laser-Patent von Townes und Schawlow (US 2.929.922)

Diese Übersicht führt die Fortschritte der Laserphysik bis 2019 auf. Heute ist das Gerät unverzichtbar für Wissenschaft und Technik. In der Informatik finden wir es in Laserdiscs, CD- und DVD-Playern, Laser- und 3D-Druckern, Ladenkassen – Laser lesen die Strichcodes – und der echten Holografie. Laserstrahlen transportieren auch die Daten in unterirdischen und unterseeischen Glasfaser-Kabeln. Im HNF tragen die Erklär-Roboter PETER, PETRA und Paul einen Laser-Scanner, und ein Laser steckt in dem optoelektronischen Experiment der neuen Ausstellung zum Quantencomputer.

Eine andere Ausstellung baute 2016 das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching auf. Sie präsentierte den historischen Laser, den Theodore Maiman vor genau 65 Jahren im Hughes-Labor in Kalifornien zündete. Das ist das Video darüber.

Hinweisen wollen wir noch auf den Internationalen Museumstag am Sonntag. Das HNF öffnet um 10 Uhr, der Eintritt ist frei, und es geht um Livestreaming. Heute feiern wir aber erst einmal den Tag des Lichts.