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Volker Zota 82

Zahlen, bitte! Der erste Laser-Strahl mit 694,3 Nanometer

Zahlen, bitte! 694,3 Nanometer

Heute vor 57 Jahren gelang Theodore H. Maiman ein Durchbruch: Er fabrizierte den ersten funktionstüchtigen Laser. Ein Rubinkristall strahlte ihm zugeführte Energie bei einer Wellenlänge von 694,3 Nanometern ab.

Am 16. Mai 1960 beleuchteten Theodore Maiman und sein Assistent Charles Asawa in den Hughes Research Laboratories einen synthetischen Rubin-Stab (Chrom-dotiertes Al2O3) mit einer darum gewickelten Blitzlampe. Daraufhin strahlte der Rubin im Takt der Blitzlampe schmalbandige rote Lichtimpulse aus, deren wichtigste Emissionslinie bei einer Wellenlänge von 694,3 Nanometern lag, der Laser – kurz für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – war geboren.

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Bitte Zahlen

Zahlen, bitte!

In dieser Rubrik stellen wir jede Woche Dienstag verblüffende, beeindruckende, informative und witzige Zahlen aus den Bereichen IT, Wissenschaft, Wirtschaft und der Mathematik selbst vor.

Für Maiman war der Erfolg eine enorme Genugtuung. Denn zuvor war er von anderen Forschern belächelt worden, weil er ausgerechnet einen Festkörper als aktives Medium für den Laser einsetzen wollte.

Das aktive Medium (also ein Kristall, Flüssigkeit oder Gas) dient zur Verstärkung des Lichts und befindet sich zwischen zwei extrem genau ausgerichteten Spiegeln, von denen einer halbdurchlässig ist und nur eine bestimmte Wellenlänge passieren lässt. In diesen Resonator wird Energie "hineingepumpt", im Beispiel des Rubin-Lasers mit der Blitzlampe.

Die Elektronen des Laser-Mediums absorbieren die Energie und gelangen so auf höhere Energieniveaus, von wo aus sie strahlungsfrei auf ein metastabiles Energieniveau übergehen, in dem sie verhältnismäßig lange verharren. Nach einer zufällige Zeit kehrt das Quantensystem durch spontane Emission einer elektromagnetischen Welle mit definierter Frequenz wieder in den Grundzustand zurück.

Gemeinfrei
Der erste Rubinlaser (ausgestellt im National Museum of American History) (Bild:  Public Domain )

Trifft diese Welle ihrerseits auf einen der angeregten metastabilen Zustände, löst sie eine stimulierte Emission mit derselben Energie, Phase, Polarisation und Ausstrahlungsrichtung aus. Entsprechend ist Laser-Licht monochromatisch und breitet sich räumlich sowie zeitlich kohärent aus, also mit parallelen Wellenfronten und einer festen Phasenbeziehung.

Damit es zu dieser Kettenreaktion kommt, muss in dem aktiven Medium durch Zufuhr von Energie eine Besetzungsinversion der Energieniveaus herbeigeführt werden; entsprechend lassen sich nur Materialien mit den passenden Eigenschaften als aktives Medium verwenden.

Dreiniveausystem des Rubin-Lasers
Vereinfachte Darstellung des Dreiniveau-Systems eines Rubin-Lasers

Einstein hatte die stimulierte Emission – von ihm damals als "Zustandsänderung durch Einstrahlung" bezeichnet – bereits 1917 in seinen Ausführungen in "On the Quantum Theory of Radiation" vorhergesagt. Der grundlegende experimentelle Nachweis der stimulierten Emission gelang Rudolf Ladenburg mit Experimenten mit Gasentladungen bereits im Jahr 1928.

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Charles H. Townes mit dem Prototypen seines Ammonik-Masers
Charles H. Townes mit dem Prototyp seines Ammonik-Masers (Bild:  Public Domain )

Seit 1951 tüftelte Charles H. Townes am Prinzip eines Verstärkers für Mikrowellen und entwickelte 1953 einen Ammoniak-Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation); Maser erzeugen ebenfalls elektromagnetische Wellen, allerdings mit Wellenlängen im Bereich zwischen Millimetern und Kilometern.

In Anlehnung an Maser wurde bei der Entwicklung des Lasers zunächst von "Optical Maser" gesprochen, doch ab 1957 wurde bereits der Begriff Laser geprägt.

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