Laser: Laserstrahlung und Aufbau eines Lasers

Laser: Laserstrahlung und Aufbau eines Lasers
 
Auch wenn der Laser mittlerweile ein vielen Menschen vertrauter Begriff ist, sind doch wenigen die physikalischen Grundlagen seiner Funktion bekannt. Begriffe wie »Besetzungsinversion« oder »stimulierte Emission« werden bisweilen gebraucht, doch ihre Einordnung fällt schwer. Ebenso ist die historische Entwicklung des Lasers, die mit den Fortschritten in der Grundlagenforschung in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts eng verbunden ist, oft nur wenig bekannt. Daher sollen zunächst die wichtigsten Schritte auf dem Weg zum ersten Laser, dem Rubinlaser, nachvollzogen werden. Anhand dieses sehr einfachen Systems können dann die physikalischen Prinzipien der Emission von Laserstrahlung diskutiert werden.
 
 Von Einstein zum Rubinlaser
 
Die Realisierung des Lasers ist das Ergebnis einer breiten physikalischen Entwicklung über viele Jahrzehnte: 1928 gelang den Physikern Rudolf Ladenburg und Hans Kopfermann in Berlin der erste experimentelle Nachweis der von Einstein postulierten stimulierten Emission, aber die Zeit war noch nicht reif für die Erfindung eines Gerätes, das diesen Effekt nutzte. Erst in den fünfziger Jahren gelang es fast gleichzeitig dem amerikanischen Physiker Charles H. Townes und den russischen Physikern Alexandr M. Prochorow und Nikolai G. Bassow, Lasergeräte zu entwickeln, deren Strahlung allerdings nicht im Bereich des sichtbaren Lichts, sondern im unsichtbaren Mikrowellenbereich lag — daher nannten sie ihr Gerät MASER, also »Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation«, zu Deutsch: »Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission«. Die drei Wissenschaftler bekamen für ihre Arbeiten im Jahr 1964 den Physiknobelpreis.
 
Der Wettstreit um die Entwicklung des ersten, mit sichtbarem Licht arbeitenden Lasers ging weiter. So stellten die amerikanischen Physiker Arthur L. Schawlow (er erhielt 1981 den Nobelpreis für Physik) und Charles H. Townes 1958 detaillierte Überlegungen an, wie man das Laserprinzip auf den optischen Bereich ausdehnen könnte. Der erste funktionsfähige Laser war ein Rubinlaser, er wurde 1960 von dem amerikanischen Physiker Theodore H. Maiman von den Hughes Research Laboratories in Malibu/Kalifornien technisch realisiert. Dieser Lasertyp strahlt tiefrotes Licht mit einer Wellenlänge von 694 Nanometern aus; die Strahlung wird in Form von Lichtpulsen abgegeben. Mit seinem intensiv leuchtenden und extrem gut gebündelten Strahl stellte er die Quelle für eine bis dahin noch nie da gewesene Form von Licht dar.
 
Doch selbst zu diesem Zeitpunkt — fast fünf Jahrzehnte nach Einsteins Postulaten — hatte der erst 33-jährige Maiman noch Schwierigkeiten, seine Entdeckung zu publizieren, da ihre Bedeutung offenbar immer noch verkannt wurde; man konnte sich keine Anwendungsmöglichkeit für sein Gerät vorstellen.
 
Aber noch im selben Jahr gelang bei Siemens in München die Fertigung eines weiteren Rubinlasers. Dies war der Beginn der Entwicklung einer ganzen Reihe von Festkörperlasern, die allesamt ihr Licht in Form einzelner Pulse aussendeten. Doch schon Ende 1960 hatte der iranische Physiker A. Javan, der bei den Bell Laboratories in den USA arbeitete, Erfolg mit einem anderen Lasertyp, der kontinuierlich strahlen konnte. Es handelte sich dabei um einen Gaslaser, der mit einem Helium-Neon-Gasgemisch arbeitete.
 
Heutige Lasertypen
 
Heute existiert eine Vielzahl von Lasertypen, die in den verschiedensten Wellenlängenbereichen des elektromagnetischen Spektrums arbeiten, vom Mikrowellen- und Infrarotbereich über den sichtbaren und ultravioletten Bereich bis zur weichen Röntgenstrahlung.
 
Fast unübersehbar ist die Fülle der unterschiedlichen Lasersysteme: Neodym-YAG-, Kohlendioxid-(CO2-), Excimer-, Farbstoff- oder Diodenlaser, um nur einige in der Fachwelt bekannte Namen zu nennen. Ein Laser der Zukunft könnte der Röntgenlaser werden. Heutige Röntgenlaser füllen jedoch zum Teil noch mehrstöckige Gebäude aus. Der kleinste Laser, ein Diodenlaser, hat hingegen nur die Größe eines Stecknadelkopfs und wird unter anderem in der »Abtastnadel« eines CD-Spielers eingesetzt.
 
Laser unterscheiden sich außer durch ihre Größe insbesondere durch die Frequenz und Intensität der ausgesandten Strahlung. Diese wiederum hängen vor allem von der Art des Materials ab, in dem die Lichtverstärkung stattfindet. Dieses wird auch laseraktives Medium genannt. Es gibt Festkörper- und Gaslaser, außerdem Flüssigkeitslaser (vor allem Farbstofflaser) und in neuerer Zeit auch Elektronen-, Ionen- und Plasmalaser. Zu den Festkörperlasern gehören die Dioden- oder Halbleiterlaser, die genau wie Mikroprozessoren in kleinsten Abmessungen und großen Stückzahlen aus Halbleitermaterialien wie beispielsweise Silicium hergestellt werden können.
 
 Die besonderen Eigenschaften des Laserlichts
 
Das Licht einer herkömmlichen Lichtquelle, etwa einer Taschenlampe, erscheint dem menschlichen Auge weiß. Dieser weiße Farbeindruck entsteht, wenn das Auge eine Vielzahl verschiedener Wellenlängen gleichzeitig wahrnimmt — bekanntlich ist Weiß die Summe aller drei Grundfarben. Wird solches weißes Licht aber durch ein Prisma geschickt oder von Regentropfen in der Luft gebrochen, so kann man am Regenbogen direkt sehen, dass es aus vielen Farben zusammengesetzt ist. Diese Regenbogenfarben sind allerdings nicht scharf voneinander getrennt, sondern gehen fließend ineinander über; jede Farbe wiederum setzt sich aus vielen einzelnen Farbtönen zusammen.
 
 
Laser hingegen strahlen Licht nur in einem extrem schmalen Wellenlängenbereich aus, man nennt solche Strahlung schmalbandig. Damit kommen sie dem Idealfall einer exakt einfarbigen (monochromatischen) Strahlung, die nur eine einzige Wellenlänge enthält, sehr nahe. Da die Schmalbandigkeit der Laserstrahlung darüber hinaus sehr stabil ist, können spezielle, frequenzstabilisierte Laser als Frequenznormale für die Festlegung der Grundeinheiten Sekunde und Meter verwendet werden.
 
Es gibt Laser, die nur bei einer einzigen Wellenlänge emittieren können, und solche, wie den Farbstofflaser, bei dem die emittierte Wellenlänge innerhalb eines bestimmten Spektralbereichs frei gewählt werden kann. Solche Laser nennt man durchstimmbar, bei ihnen werden wellenlängenselektive Elemente wie Prismen oder Gitter in den Laser integriert.
 
 
Im Laserlicht haben alle Wellenzüge die gleiche Frequenz und Amplitude. Die Ausbreitung dieser Wellenzüge ist sowohl zeitlich als auch räumlich synchronisiert; sie bewegen sich im »Gleichtakt« und in die gleiche Richtung. Man sagt hierzu auch, der Laser sende kohärentes Licht aus und die Wellenzüge seien »in Phase«.
 
Diese Kohärenz des Lichts kann so weit gehen, dass seine Wellenzüge über bis zu 1000 Kilometer nicht nachweisbar auseinander laufen — Laserlicht hat eine große Kohärenzlänge. Dies zeichnet den Laser gegenüber dem Licht aller anderen Lichtquellen aus. Bei einer Glühlampe oder auch der Sonne laufen die Lichtstrahlen zu beliebiger Zeit und in unregelmäßigen Abständen in alle Richtungen fort, ihre Kohärenzlänge ist sehr klein. Dies bedeutet, dass sie schon nach winzigen Bruchteilen eines Millimeters nicht mehr synchron und parallel sind. Der Gleichtakt der Laserwellen dagegen ist so exakt, dass mit ihm Atomuhren konstruiert werden können, die eine Ganggenauigkeit von 10-14 besitzen: Erst nach 100 Billionen Sekunden, etwa drei Millionen Jahren, gehen diese Atomuhren um eine Sekunde falsch!
 
Zwar können auch mit konventionellen Lichtquellen wie etwa speziellen Glühlampen durch Filterung (zeitlich) und Blenden (räumlich) einigermaßen kohärente Lichtwellenzüge erzeugt werden, jedoch nur unter äußerst hohen Intensitätsverlusten. Deshalb erreicht normales Licht, auch wenn es in der beschriebenen Weise kohärent gemacht wird, nicht einmal annähernd die spektrale Intensität, die sich mit Laserlicht erzielen lässt.
 
Hohe Intensität und Fokussierbarkeit
 
Die starke Ordnung der vom Laser ausgesandten Wellenzüge führt dazu, dass sich auf weite Strecken die in Phase laufenden Wellenberge addieren, was zu einer Erhöhung der Intensität führt, denn diese hängt von der Höhe (Amplitude) die Wellenberge ab. Dieser Effekt ist ein Beispiel für das Phänomen der Interferenz. Die Monochromasie der Laserstrahlung sorgt dazu auch für eine hohe spektrale Intensität; dies bedeutet, dass die gesamte Intensität in einem sehr engen Wellenlängenbereich abgegeben wird.
 
Aufgrund ihrer räumlichen Kohärenz bewegen sich die Wellenzüge des Laserlichts auch auf große Entfernungen nahezu parallel und erzeugen so einen scharf gebündelten, intensiven Lichtstrahl. Diese große Bündelungsschärfe ermöglicht es zum einen, ein Lichtsignal über sehr weite Strecken zu übertragen, und zum zweiten, den Laserstrahl mithilfe von Linsen auf einen winzigen Fleck zu fokussieren, der im Idealfall nicht größer als die verwendete Wellenlänge ist, also im Bereich von Millionstel Metern liegt. Ein beeindruckendes Beispiel für die enorme Bündelungsschärfe zeigt ein bereits 1962 gemachter Versuch: Ein von der Erde auf den Mond gerichteter Laserstrahl erzeugte dort einen Lichtfleck von nur rund 3,2 Kilometern! Das entspricht, auf irdische Verhältnisse gebracht, bei einer Entfernung von einem Kilometer einer Strahlfläche von nur etwa acht Zentimetern Durchmesser.
 
Durch die Fokussierung von Laserlicht kommt es zu einem weiteren Effekt, nämlich einer Intensitätserhöhung — denn: Wird dieselbe Leistung auf eine kleinere Fläche gestrahlt, so ist die Intensität dort entsprechend größer. Dies trifft selbstverständlich auch auf natürliches, inkohärentes Licht zu. Laserlicht weist aber auch hier wieder eine Besonderheit auf: Fokussiert man inkohärentes Licht wie das der Sonne, so kann man mit diesem Licht keine höhere Temperatur als die der Quelle, nämlich die Oberflächentemperatur der Sonne (circa 6000 Grad Celsius) erzeugen. Nur mit kohärentem Laserlicht können durch Fokussierung am Bestrahlungspunkt höhere Temperaturen als bei der Lichtquelle erzeugen werden. Auf diese Weise kann man jedes bekannte Material mit einem Laser verdampfen. Leistungen von bis zu einer Billion Watt können für sehr kurze Zeiten im Brennpunkt konzentriert werden (eine Billion ist eine Eins mit zwölf Nullen: 1 000 000 000 000 oder 1012). Aufgrund dieser hohen erreichbaren Intensität werden Laser auch für Experimente zur Kernfusion eingesetzt, bei denen Temperaturen von einigen Millionen Grad erforderlich sind.
 
Die Intensität der Strahlung wird außerdem durch die Betriebsart des Lasers bestimmt. Es gibt Laser, die kontinuierlich Strahlung emittieren und solche, die Licht nur in kurzen Pulsen aussenden. Der kontinuierliche Betrieb wird auch Dauerstrichbetrieb genannt. Im normalen Pulsbetrieb liegen die Pulsdauern zwischen einer Millisekunde (10-3 Sekunden) und einigen Mikrosekunden (10-6 Sekunden). Beispielsweise werden beim CO2-Laser, bei dem prinzipiell beide Betriebsarten möglich sind, im Dauerstrichbetrieb Leistungen von annähernd 100 Kilowatt erreicht. Im Pulsbetrieb kann ein typischer CO2-Laser Strahlung mit Leistungen von 100 bis 1012 Watt erzeugen. Da Leistung als Energie pro Zeit definiert ist, kann man grundsätzlich die ausgestrahlte Leistung bei gleichem Energieaufwand durch eine Verkürzung der Pulsdauer erhöhen.
 
Die Faszination des Lasers liegt in den beschriebenen außergewöhnlichen Eigenschaften, aus denen sich eine Fülle von interessanten Anwendungen ergibt. Die verschiedenen Lasertypen nutzen diese Eigenschaften auf jeweils unterschiedliche Weise, je nachdem, welche spezielle Aufgabe sie erfüllen sollen. Das Laserprinzip jedoch — die stimulierte Emission — ist allen Lasertypen gemein.
 
 Das Laserprinzip
 
Was verbirgt sich hinter dem Begriff »stimulierte Emission«? Wie kommt es zu dieser lawinenartigen Auslösung von völlig gleichartigen Photonen? Um diesen Fragen auf den Grund zu gehen, muss man, so wie es Albert Einstein Anfang des 20. Jahrhunderts tat, die Gesetze der Aufnahme und Abgabe von Licht in Atomen, Molekülen oder Ionen betrachten. Der Einfachheit halber beschränken wir uns dabei auf Atome, alle Überlegungen sind aber leicht auf Moleküle und Ionen übertragbar.
 
Absorption, spontane und stimulierte Emission
 
Einstein postulierte, dass es für ein Elektron in einem Atom drei Möglichkeiten gibt, von einem Energieniveau auf ein anderes zu wechseln. Es kann erstens durch die Absorption eines Photons auf ein höheres Niveau gelangen, sofern die vom Photon transportierte Energiemenge gerade der Differenz zwischen den Energien dieser Niveaus entspricht. Zweitens kann es durch die spontane Emission eines Photons in ein niedrigeres Niveau gelangen, dabei transportiert das Photon genau die dabei freigesetzte Energiemenge. Durch spontane Emission freigesetzte Photonen sind in Richtung und Phase völlig unabhängig voneinander, diese Form der Emission führt also zu inkohärentem Licht. Drittens schließlich kann das Elektron von einem ankommenden Photon dazu gebracht werden, unter Aussendung eines weiteren Photons in ein niedrigeres Niveau überzugehen, sofern das einlaufende Photon gerade die dabei freigesetzte Energie besitzt — dies ist die stimulierte Emission. Während bei der spontanen Emission das abgegebene Photon beliebige Richtung und Phase besitzen kann, sind diese bei der stimulierten Emission durch das auslösende Photon exakt vorgegeben. Daher entsteht bei der stimulierten Emission kohärentes Licht.
 
Welcher dieser drei Prozesse nun bevorzugt abläuft, hängt von der atomaren Struktur der aktiven Medien ab und wird insbesondere durch die Energiezustände (Energieniveaus) beziehungsweise die Elektronenverteilung innerhalb der Atome bestimmt. Über kompliziertere mathematische Ansätze aus der Wahrscheinlichkeitstheorie können Aussagen über das Auftreten des jeweiligen Prozesses getroffen werden. Einfach ausgedrückt hängt das Auftreten der drei möglichen Prozesse vor allem davon ab, wie stark die unterschiedlichen Energieniveaus besetzt sind. Im Normalfall (physikalisch gesprochen: in einem Gleichgewichtszustand) ist das niedrigere Niveau immer stärker als das höhere Niveau besetzt — unter diesen Bedingungen ist die stimulierte Emission extrem unwahrscheinlich. Nur wenn das höhere Niveau mehr Elektronen enthält als das niedrigere, kann es in nennenswertem Umfang zu stimulierter Emission kommen. Man nennt solch eine Umkehr der Besetzungsverhältnisse eine Besetzungsinversion oder kurz: Inversion. Diese ist eine notwendige Voraussetzung für die lawinenartige Verstärkung der stimulierten Emission im Laserprozess. Die Besetzungsinversion ist ein Nichtgleichgewichtszustand. Dies bedeutet, dass sie sich nie von selbst einstellt, sondern durch eine Energiezufuhr von außen aufrechterhalten werden muss; diese Energiezufuhr wird als »Pumpen« des Lasers bezeichnet. Das Pumpen kann auf sehr unterschiedliche Weisen erfolgen. Am naheliegendsten ist es, die Energie in Form von Photonen, also als sichtbares Licht oder als Infrarotstrahlung, bereitzustellen — man spricht dann vom »optischen Pumpen«. Beim Rubinlaser war die Pumpquelle eine Blitzlampe, oft ist das Pumplicht jedoch selbst bereits Laserlicht, so zum Beispiel beim Farbstofflaser, der mit einem Excimerlaser gepumpt wird. Ein anderer Pumpmechanismus liegt dem Helium-Neon-Laser zugrunde: Hier findet der Laserübergang zwischen bestimmten Energieniveaus der Neonatome (beziehungsweise von deren Elektronen) statt. Angeregt werden diese Niveaus durch Stöße mit angeregten Heliumatomen, die sich ebenfalls im Lasersystem befinden. Von den vielen weiteren Pumpmechanismen beruhen einige auf Gasentladungen, andere auf chemischen oder elektrischen Anregungen.
 
Absorption und spontane Emission stehen, wie gesagt, in Konkurrenz zur stimulierten Emission und behindern sie: Die Absorption »verbraucht« mögliche stimulierende Photonen, die spontane Emission baut die Besetzungsinversion ab. Die hiermit verbundene Störung des Laserprozesses wird »Laserrauschen« genannt. Die spontane Emission ist umso stärker, je höher die Frequenz beziehungsweise je kleiner die Wellenlänge der Photonen ist. Einfache Laser, die nur zwei Energieniveaus besitzen (Zweiniveausysteme), arbeiten daher im Bereich großer Wellenlängen, zum Beispiel im Mikrowellenbereich; man nennt sie darum Maser. Im Sichtbaren dagegen (oder gar im Ultraviolett- oder Röntgenbereich) würde bei einem Zweiniveausystem kein Pumpmechanismus gegen die spontane Emission ankommen können. Wie war es trotzdem möglich, einen Ausweg aus diesem Dilemma zu finden und Laser zu bauen, die kürzere Wellenlängen als Mikrowellen emittieren? Der Ausweg lag in der Verwendung von mehr als zwei am Laserprozess beteiligten Energieniveaus.
 
Mehrniveaulasersysteme
 
Die Grundidee bei Mehrniveaulasersystemen ist die Nutzung von Zwischenenergieniveaus, von denen aus eine spontane Emission aus physikalischen Gründen sehr unwahrscheinlich ist. Praktisch alle heutigen Laser sind Mehrniveausysteme und nutzen unterschiedlich viele Zwischenniveaus. In Mehrniveausystemen wird das Laserrauschen unterdrückt, indem die angeregten Photonen in den Zwischenniveaus so lange gleichsam »gefangen gehalten« werden, bis die Laseremission einsetzen kann.
 
Eine Besetzungsinversion kann mit einem Drei- oder einem Vier-Niveaulasersystem erreicht werden. Beiden Systemen ist gemeinsam, dass die mit dem Pumpmechanismus auf ein höheres Energieniveau angeregten Elektronen zuerst in ein anderes Niveau übergehen. In diesem Niveau ist die spontane Emission unterdrückt, wodurch sich eine Besetzungsinversion aufbauen kann. Fast allen heute üblichen Lasertypen (etwa dem Farbstofflaser oder dem Neodym-YAG-Laser) liegen Vierniveausysteme zugrunde, da diese Systeme viel geringere Pumpleistungen erfordern.
 
 Der Aufbau eines Lasers
 
Wie kann nun eine stimulierte Emission in einer Apparatur angeregt werden, sodass nutzbare Laserstrahlung entsteht? Wie schon angesprochen, gibt es eine große Fülle verschiedenster Lasertypen, die kleiner als ein Fingernagel, aber auch so groß wie eine Fabrikhalle sein können. Alle diese Geräte besitzen aber eine gemeinsame Grundstruktur, die im Folgenden beschrieben werden soll.
 
Lasermedium, Resonator und Pumpquelle
 
Grundsätzlich gesehen, bestehen alle Laser aus den drei folgenden Grundbausteinen: einem laseraktiven Material oder Medium, einer Pumpquelle und einem Resonator.
 
Das aktive Medium kann, wie bereits angedeutet, fest, flüssig oder gasförmig sein, außerdem werden auch etwas exotische Materieformen wie Plasmen oder freie Elektronenwolken verwendet. Feste Lasermedien sind beispielsweise Mineralien, die unter anderem Seltenerdelemente wie Neodym, Erbium, Holmium oder Yttrium enthalten, oder Halbleiter. Die Seltenerdelemente sind weiche und relativ unedle Metalle. Sie haben ihren Namen daher, dass sie zunächst als Bestandteile bestimmter seltener Minerale isoliert worden sind. Tatsächlich sind sie aber gar nicht so selten — Neodym beispielsweise kommt auf der Erde genauso häufig vor wie Blei und hundert Mal häufiger als Silber. Halbleiter (zum Beispiel Silicium, Germanium oder bestimmte Verbindungen) sind Festkörper, die eine Zwischenstellung zwischen den elektrischen Leitern und den Isolatoren einnehmen. Flüssige aktive Medien sind meist organische Farbstofflösungen, gasförmige Lasermedien enthalten beispielsweise Edelgase, verdampfte Metalle oder Kohlenstoffdioxid.
 
Mit der Pumpquelle wird die für die stimulierte Emission nötige Energie zugeführt, dabei kann es sich, wie bereits angesprochen, um einen weiteren Laser, eine elektrische Spannung oder auch eine chemische Reaktion handeln. Der Resonator schließlich dient dazu, die emittierte Laserstrahlung in das Lasermedium zurückzuleiten (fachsprachlich bezeichnet man dies als »Rückkopplung« der Laserstrahlung). Der Resonator besteht im einfachsten Fall aus zwei einander gegenüberliegenden, hoch reflektierenden Spiegeln. Mit Hilfe dieser Spiegelanordnung wird die Lichtwelle durch Reflexion immer wieder in das aktive Medium zurückgeführt und somit verstärkt. Einer der Spiegel muss teildurchlässig sein, damit ein Teil der im Medium gefangenen Strahlung ausgeleitet (in der Fachsprache »ausgekoppelt«) werden kann, die Laserstrahlung also genutzt werden kann.
 
Die Schwellenbedingung
 
Im Laserbetrieb gibt es bei der Pumpleistung (also der pro Zeiteinheit zum Pumpen aufgewendeten Energie) einen charakteristischen Schwellenwert — erst wenn die Pumpleistung oberhalb dieser Schwelle liegt, kann Laserstrahlung emittiert werden. Wie kommt diese Schwellbedingung zustande? Führt man dem aktiven Lasermaterial mit der Pumpquelle Energie zu, so werden zunächst einige Photonen spontan emittiert. Diese können darauf eine stimulierte Emission auslösen. Auch während der stimulierten Emission gibt es Energieverluste durch gleichzeitige spontane Emission, da diese ja ungerichtet ist und nicht alle spontan emittierten Photonen ein Atom zum Stimulieren finden. Solange keine Besetzungsinversion vorliegt, überwiegen diese Verluste im Vergleich zur Verstärkung durch den Laserprozess. Wenn man jedoch die Pumpleistung steigert, kommt es vermehrt zur stimulierten und seltener zur spontanen Emission. Ab einer gewissen Stärke der Pumpleistung gewinnt schließlich die Verstärkung die Oberhand über die Verluste: Dies ist die Laserschwelle, an der abrupt Laseremission einsetzt. Dabei treten außer der spontanen Emission auch andere zu Verlusten führende Prozesse auf, zum Beispiel Beugung und Streuung an den Resonatorspiegeln. Weiterhin geht natürlich die Energie der ausgekoppelten Laserstrahlung dem aktiven Medium verloren, und darüber hinaus wird ein Teil der Pumpleistung in Wärme umgewandelt.
 
 Aspekte der modernen Lasertechnik
 
Moderne Laser sind oft komplexe Gebilde, die vom ersten Rubinlaser ähnlich weit entfernt sind wie ein moderner Mittelklassewagen von Gottlieb Daimlers Motorkutsche. Für die Anwender in Industrie, Medizin und Forschung sind dabei besonders die Erzeugung von immer kürzeren Laserpulsen, mit denen die Laserleistung auf fast unvorstellbare Werte gesteigert werden kann, und die Erschließung immer neuer Wellenlängenbereiche von Interesse. Daher sollen diese beiden Aspekte einer näheren Betrachtung unterzogen werden.
 
Erzeugung kurzer Pulse mit hohen Intensitäten
 
Für viele Anwendungen, beispielsweise in der Materialbearbeitung, ist es erforderlich, mit hochintensivem Laserlicht zu arbeiten. Theoretisch wäre es möglich, durch eine Erhöhung der Energie des Pumplichts die Laserintensität zu steigern. Praktisch sind dieser Vorgehensweise jedoch Grenzen gesetzt. Eine Blitzlampe, wie sie beim Rubinlaser als Pumpquelle eingesetzt wird, würde bei Erhöhung der Energie explodieren, eine Gasentladungsröhre, wie beim Kohlendioxidlaser, könnte anfangen zu schmelzen. Eine Intensitätssteigerung muss daher auf anderem Weg erreicht werden: Man muss dafür sorgen, dass die Laserausgangsenergie in kürzester Zeit abgegeben wird, denn die Strahlungsintensität erhöht sich, wenn die Strahlungsdauer herabgesetzt wird. Hierfür werden insbesondere zwei Methoden angewandt: das Güteschalten und die Modenkopplung.
 
Mithilfe des Güteschaltens (Q-Switch) lässt sich die Dauer eines Laserpulses gegenüber dem normalen Pulsbetrieb um das Zehn- bis Hundertfache verkürzen (die englische Bezeichnung Q-Switch rührt von quality: »Güte« und switch: »Schalter« her). Das Prinzip dieser Methode besteht darin, die Energie im Resonator eine Zeit lang zu speichern und dann schlagartig freizusetzen. Dies wird erreicht, indem die Rückkopplung der emittierten Photonen ins Lasermedium zunächst unterbunden wird, etwa durch Abdecken der Resonatorspiegel. Die Güte des Resonators wird also künstlich verschlechtert. Auf diese Weise wird die gesamte Pumpenergie bis zum Erreichen der maximalen Besetzungsinversion im Medium gespeichert. Es sind also schließlich alle Elektronen im angeregten Zustand, also im oberen Laserniveau. In diesem Moment wird die Güte des Resonators in kürzester Zeit wieder auf den optimalen Wert geschaltet; das Laserniveau wird daraufhin in einem sehr kurzen, intensiven Lichtpuls, auch Riesenimpuls oder englisch Giant Pulse genannt, freigeräumt.
 
Die Intensität und Dauer dieses Riesenimpulses wird wesentlich durch die Zeit bestimmt, die nötig ist, um den Resonatorspiegel freizugeben. Dies kann durch mechanische Schalter (beispielsweise Drehspiegel oder Prismen), elektrooptische Schalter (Pockels-Zellen) oder auch sättigbare Absorber gesteuert werden. Ein sättigbarer Absorber besteht aus einer Farbstofflösung, die das Laserlicht bis zu einer bestimmten Intensität absorbieren kann und dabei immer mehr ausbleicht, bis der Farbstoff plötzlich für das Laserlicht durchlässig wird. Die Schaltzeit, also die Zeitspanne, in der der Güteschalter geöffnet ist, liegt bei den meisten mechanischen Schaltern bei etwa einer millionstel Sekunde, bei elektrooptischen Schaltern bei einer milliardstel Sekunde.
 
Eine weitere wichtige Größe ist die Pulswiederholungsrate, also die Zahl der Pulse, die pro Sekunde abgegeben werden können. Mit sättigbaren Absorbern können einige tausend Pulse pro Sekunde erreicht werden. Diese hohe Pulsfrequenz kann das menschliche Auge nicht mehr auflösen. Das Laserlicht erscheint deshalb für den Betrachter, als ob es kontinuierlich emittiert würde. Die Pulsfrequenz hängt unter anderem von der Art des optischen Pumpens ab. Sie kann daher in speziellen Laseranordnungen, bei denen das aktive Medium kontinuierlich gepumpt wird, heutzutage mehrere Millionen Pulse pro Sekunde erreichen.
 
Neben dem normalen Pulsbetrieb und der Güteschaltung gibt es noch eine andere Methode, kurze Pulse zu erzeugen: die Modenkopplung. Diese Methode verringert die Pulsdauer nochmals um das Zehn- bis Tausendfache, ist aber im Detail wesentlich komplizierter als das Güteschalten. Bei der Modenkopplung werden mittels optischer Techniken viele Frequenzen beziehungsweise Moden im Resonator gleichzeitig überlagert. Durch Interferenzeffekte führt diese Überlagerung dazu, dass ein solcher Laser bei kontinuierlicher Anregung eine Folge sehr kurzer Pulse in gleich bleibenden Zeitabständen emittiert.
 
Lange Jahre dominierten Farbstofflaser das Gebiet der ultrakurzen Pulse. Heute können in Forschungslabors mit Festkörperlasern Pulse von nur wenigen Femtosekunden (Billiardstelsekunden, eine Femtosekunde entspricht 10-15 Sekunden) Dauer erzielt werden. So ist es für die Forscher heute kein Problem mehr, mit Festkörperlasern eine Lichtpulsdauer von 10-14 Sekunden mit einer Leistung von einer Billion (1012) Watt zu erzeugen! Zum Vergleich: Diese Leistung übersteigt für winzigste Bruchteile von Sekunden die Leistung aller Kraftwerke der Welt! Die Spitzenleistung speziell entwickelter gepulster Forschungslaser liegt bei circa 1013 Watt.
 
Üblicherweise lassen sich bei einem Laser nicht alle bisher beschriebenen Eigenschaften gleichzeitig verwirklichen. Das Know-how der Lasertechnik ist aber mittlerweile so weit fortgeschritten, dass für eine fast unübersehbare Zahl von Anwendungszwecken ein geeigneter Laser entwickelt werden kann.
 
Durchstimmbarkeit der Wellenlängen und Erweiterung des Spektralbereichs
 
In der Forschung oder auch in der Umweltanalytik wünscht man sich kohärente Strahlungsquellen, die in der Lage sind, Licht mal der einen und mal der anderen Frequenz beziehungsweise Wellenlänge auszusenden. Dies ist wichtig, um bei einer Vielzahl von verschiedenen Molekülen mit demselben Laser ganz bestimmte Spezies gezielt in ihrer charakteristischen Frequenz anregen zu können.
 
Manche Laser bieten schon von vornherein die Möglichkeit, bei mehreren, jedoch immer nur ganz bestimmten festen Wellenlängen zu emittieren, so zum Beispiel der mit Fluorwasserstoff betriebene chemische Laser oder der Kohlendioxidlaser. Mit Methoden der nicht linearen Optik kann der Spektralbereich eines Lasers noch weiter ausgedehnt werden. Man kann nämlich mithilfe gewisser optisch nicht linearer Kristalle aus Laserstrahlen mit vorgegebener Frequenz neue erzeugen, deren Frequenz der Summe, der Differenz oder dem Vielfachen der Frequenzen ursprünglichen Strahlen entspricht. Es gibt aber auch Laser, bei denen innerhalb eines begrenzten, kontinuierlichen Wellenlängenintervalls nahezu beliebig viele Wellenlängen frei gewählt werden können. Diese besondere Eigenschaft der Wellenlängenveränderlichkeit, die in der Fachsprache als Wellenlängendurchstimmbarkeit bezeichnet wird, besitzen unter anderem die Farbstoff- und Halbleiterlaser.
 
Einen relativ großen, kontinuierlichen Abstimmbereich für Wellenlänge und Frequenz bieten Farbstofflaser. Die aktiven Medien dieser Laser sind organische Farbstofflösungen. Farbstoffmoleküle absorbieren Licht in einem weiten Wellenlängenbereich und senden Licht niedrigerer Energie in einem ebenfalls breiten Spektrum wieder aus, dabei absorbiert und emittiert jede Farbstoffsorte in einem charakteristischen Bereich. Das Energieschema von Farbstoffmolekülen ähnelt einem Vierniveaulasersystem, bei dem das untere Laserniveau in eine Vielzahl von Unterniveaus aufgespalten ist, wodurch eine Vielzahl von möglichen Laserübergängen mit jeweils leicht verschiedenen Wellenlängen entsteht. Daher kann ein Farbstofflaser Licht über einen größeren Wellenlängenbereich emittieren. Mit verschiedenen Farbstofflösungen lässt sich ein Bereich zwischen etwa 300 und 1300 Nanometern durchstimmen, also der ganze Spektralbereich vom nahen Ultraviolett bis ins nahe Infrarot. Mit Bauteilen wie Prismen oder Gittern, die in den Resonator eingebaut sind, können einzelne Wellenlängen selektiert werden. Der Emissionsbereich lässt sich mit Methoden der nicht linearen Optik (zum Beispiel Frequenzverdopplung) noch weiter ausdehnen.
 
Beim Halbleiterlaser oder Diodenlaser muss man sich anderer Techniken des Durchstimmens bedienen, denn dieser Lasertyp besitzt nicht den üblichen Resonatoraufbau mit äußeren Spiegeln. Das aktive Medium besteht hier aus einem nur etwa einen Kubikmillimeter großen Halbleiterwürfel, der zum Beispiel zwei Bereiche unterschiedlicher Leitfähigkeit enthält. Darin gleicht er einer Halbleiterdiode, einem der Grundbausteine des Computers. Die parallel geschliffenen Kristallendflächen dieser Halbleiterdiode dienen gleichzeitig als Spiegel. Halbleiter haben keine diskreten Energieniveaus, sondern Energiebänder, die eine Vielzahl sehr eng benachbarter Niveaus umfassen. Welche Niveaus in welchem Band besetzt sind, lässt sich durch Variation eines elektrischen Anregungsstroms (beziehungsweise der Temperatur) beeinflussen, prinzipiell sogar durch Ausübung eines mechanischen Drucks. Mit all diesen Verfahren kann man die Frequenz eines Halbleiterlasers durchstimmen. Die Emissionsfrequenzen dieser Laser liegen im infraroten Spektralbereich, können aber wiederum durch nicht lineare Optik zu kürzeren Wellenlängen hin verändert werden. Halbleiterlaser sind die wichtigsten Komponenten von CD-Spielern und CD-ROM-Laufwerken, darüber hinaus werden sie in Strichcodescannern eingesetzt, die in der Industrie bei der Verwaltung von Materiallagern oder auch bei Supermarktkassen verwendet werden.
 
Das nächste Ziel: Laserlicht im Röntgenbereich
 
Besonders interessant ist für Forschung und Industrie die Erweiterung des Spektralbereichs nach oben, also hin zu höheren Energien beziehungsweise kürzeren Wellenlängen. Insbesondere die Entwicklung eines Lasers für Routineuntersuchungen im Röntgenbereich steht auf der Wunschliste der Forscher ganz oben. Das wohl ehrgeizigste Ziel bei diesen Bemühungen ist die Röntgenholographie, die es ermöglichen könnte, dreidimensionale Bilder winzigster Strukturen herzustellen — für biologische und medizinische Forschung, Mikrotechnik und Computerindustrie wäre dies ein großer Fortschritt.
 
Prinzipielle Schwierigkeiten bei der Entwicklung von kurzwelligen Lasern, also Lasern, die jenseits des sichtbaren Spektralbereichs arbeiten, bereitet die spontane Emission, denn je kürzer die Wellenlänge ist, umso mehr überwiegt die spontane Emission vor der stimulierten, sodass extrem hohe Pumpintensitäten aufgebracht werden müssen. Zur Anregung von Laserstrahlung im weichen Röntgenbereich bei zehn Nanometern Wellenlänge ist bereits eine Intensität von über einem Terawatt (1012 Watt) pro Quadratzentimeter erforderlich! Der Begriff »Röntgenbereich« ist übrigens nicht eindeutig definiert, im Folgenden sind damit Wellenlängen gemeint, die kleiner als 100 Nanometer sind. Zu den Erfolg versprechenden Systemen zählen der Plasmaröntgenlaser, die Frequenzvervielfachung von »herkömmlicher« Laserstrahlung und der Freie-Elektronen-Laser.
 
Beim Plasmaröntgenlaser besteht das laseraktive Medium aus einem hocherhitzten Plasma. Ein Plasma ist ein Gas, das so stark ionisiert ist, dass die Elektronen von den Atomkernen nahezu oder vollständig getrennt sind. Dieser Materiezustand hat viele ungewöhnliche Eigenschaften und wird, neben Festkörper, Flüssigkeit und Gas, auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet. Plasmen treten zum Beispiel bei Gasentladungen oder in Kernfusionsanlagen, aber auch im Innern der Sonne auf.
 
Die ersten Plasmen, die Laserstrahlung abgeben konnten, wurden durch Kernexplosionen erzeugt, so beispielsweise ein Zinkplasma, das eine Röntgenstrahlung von 1,42 Nanometern Wellenlänge emittierte. Auch durch Beschuss von mit Selen bedeckten Folien durch fokussierte Hochleistungslaser konnte ein solches Plasma erzeugt werden; es gab Röntgenstrahlung von 20 Nanometern Wellenlänge ab, seine Temperatur betrug fünf Millionen Grad, und die Laserintensität lag bei fünf Terawatt pro Quadratzentimeter. Die zur Plasmaerzeugung benötigten Hochleistungslaser müssen allerdings als riesige Lasersysteme gebaut werden. Der derzeit weltgrößte Riesenpulslaser NOVA in Livermore (USA) etwa füllt mehrere Laborräume aus. Die kürzeste mit dieser Methode erzeugte Röntgenstrahlung liegt bei etwa vier Nanometern.
 
Es liegt nahe zu versuchen, »handlichere« Röntgenlaser in Labortischgröße zu konstruieren, Table-Top-Laser. Durch die rasante Entwicklung noch kürzerer und intensiverer Pulslasersysteme in anderen Wellenlängenbereichen haben sich in letzter Zeit tatsächlich neue, bislang ungeahnte Möglichkeiten aufgetan, auch kohärente Röntgenstrahlung mit geringem apparativem Aufwand zu erzeugen: Wenn nämlich die Pumpquelle aus einem extrem kurzen Laserpuls besteht, kann man die in kürzester Zeit erfolgende Zerstörung der Besetzungsinversion durch die spontane Emission verhindern — es muss »nur« der Pumppuls noch kürzer sein als diese »kürzeste« Zeit, die im Bereich von Femtosekunden oder Bruchteilen davon liegt. Ein ganz anderer Weg zum Röntgenlaser besteht darin, die Frequenz eines niederfrequenten Lasers so lange zu verdoppeln, bis der Röntgenbereich erreicht wird. Bereits Mitte 1994 wurde beispielsweise über kohärente Strahlung mit sieben Nanometern Wellenlänge in einem Helium-Gaslaser berichtet.
 
Neben einer drastischen Reduzierung der Laserabmessungen sind im Hinblick auf kommerzielle Anwendungen Röntgenlaser wünschenswert, die sich durchstimmen lassen. Beim gegenwärtigen Stand der Forschung erzeugen Plasmaröntgenlaser nur Strahlung bei festen Wellenlängen — anders ist dies beim Freie-Elektronen-Laser (FEL). Dieser Lasertyp wurde in jüngerer Zeit entwickelt. Statt in einem aktiven Medium im herkömmlichen Sinn findet die Lichtverstärkung hier in einem sich durch ein Magnetfeld bewegenden Elektronenstrahl statt. Grundlage für sein Funktionieren sind die Ergebnisse der Relativitätstheorie, der zufolge stark beschleunigte Elektronen kurzwellige Strahlung aussenden, deren Wellenlänge mit der Elektronenenergie kontinuierlich variiert. Theoretisch ist der FEL daher vom Mikrowellen- bis in den Röntgenbereich durchstimmbar. Ein erster Schritt zur Verwirklichung dieser Idee wurde bereits getan: Es gelang, einen Freie-Elektronen-Laser zu konstruieren, dessen Strahlung vom Mikrowellen- über den Infrarotbereich und den Bereich des sichtbaren Lichts bis in den ultravioletten Bereich oberhalb von 240 Nanometern reichte.
 
Derzeit laufen Experimente, deren Ziel es ist, diesen Lasertyp auch für den Röntgenbereich zu realisieren. Um die dafür benötigten hohen Elektronenenergien zu erreichen, sind allerdings aufwendige Elektronenbeschleunigeranlagen erforderlich. Deshalb können Freie-Elektronen-Laser zurzeit nur an großen Beschleunigeranlagen wie HERA des Deutschen Elektronenrynchrotrons (DESY) in Hamburg und BESSY in Berlin verwirklicht werden. Die dort installierten Systeme versprechen hohe Durchschnittsenergien sowie hohe Spitzenleistungen, aber natürlich kein »Table-Top-Format«.
 
Viele technische Probleme sind noch zu lösen, bevor der Röntgenlaser die gleiche Strahlungsintensität, Zuverlässigkeit und Handhabbarkeit wie die herkömmlichen Lasersysteme erlangt. Bei allem berechtigten Optimismus für den Bereich weicher Röntgenstrahlung scheint die Erzeugung harter Röntgenstrahlung unterhalb von einem Nanometer beim gegenwärtigen Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse aber noch Zukunftsmusik zu sein.
 
Laserlicht jeder Wellenlänge ist heute einerseits für viele Schlüsseltechnologien ein unverzichtbares Hilfsmittel, das einen tief greifenden Wandel bedeutender Gebiete in Wissenschaft, Wirtschaft und Kunst bewirkt hat und weiter bewirken wird. Andererseits ist die Entwicklung immer neuer, noch leistungsfähigerer und noch energiereicherer Laserquellen selbst eine Technologie mit großen wirtschaftlichen Potenzialen für die nahe und ferne Zukunft.
 
Dr. Beate Brase; Prof. Dr. Angelika Anders von Ahlften und Dr. Holger Lubatschowski
 
Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:
 
Lasertechnik: Laser zum Bohren, Schneiden, Schweißen und Beschriften
 
 
Anders-von Ahlften, Angelika / Altheide, Hans-Jürgen: Laser - das andere Licht. Taschenbuchausgabe Reinbek 1995.
 Baur, Dirk: Das Laser-Praxisbuch. Messen, Holografieren und Experimentieren. Aachen 1997.
 Eichler, Hans Joachim / Eichler, Jürgen: Laser. High-Tech mit Licht. Berlin u. a. 1995.
 Eichler, Jürgen: Laser und Strahlenschutz. Braunschweig u. a. 1992.
 Eichler, Jürgen / Eichler, Hans Joachim: Laser. Bauformen, Strahlführung, Anwendungen. Berlin u. a. 31998.
 Harth, Wolfgang: Fluktuationen und Dynamik aktiver Halbleiter-Bauelemente. Stuttgart u. a. 1998.
 Kneubühl, Fritz Kurt / Sigrist, Markus Werner: Laser. Stuttgart u. a. 51999.
 Peuser, Peter / Schmitt, Nikolaus P.: Diodengepumpte Festkörperlaser. Berlin u. a. 1995.
 Weber, Horst: Laser. Eine revolutionäre Erfindung und ihre Anwendungen. München 1998.
 
Dossier: Laser in neuen Anwendungen, bearbeitet von Dieter Beste u. a. Heidelberg 1998. Sonderheft »Dossier 2/1998« der Zeitschrift »Spektrum der Wissenschaft.

Universal-Lexikon. 2012.

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