Der Laser – was ist das eigentlich?

Physikalische Hintergründe einer ganz besonderen Lampe

Auch wenn die bunten Lichtflecke, die man mit einem Laserpointer an die Wand strahlen kann, gar nicht so exotisch aussehen: Laserlicht ist etwas ganz Besonderes und unterscheidet sich wesentlich von der Strahlung anderer Lichtquellen.

Das Licht einer gewöhnlichen Lampe (Bild oben) setzt sich aus vielen verschiedenen Wellenlängen, also unterschiedlichen Farben, zusammen. Außerdem sind die verschiedenen Wellen zufällig gegeneinander verschoben. Selbst wenn es gelingt, durch Filter eine einzelne Farbe auszuwählen und alle anderen abzublocken (Bild Mitte), sind die Schwingungen der Photonen noch immer zufällig phasenverschoben. Beim Laser hingegen haben alle Lichtteilchen dieselbe Wellenlänge und schwingen noch dazu perfekt im gleichen Takt (Bild unten).

Eine Farbe – eine Wellenlänge

Das Licht, das von der Sonne oder von einer Glühbirne abgestrahlt wird, ist aus vielen verschiedenen Farben zusammengesetzt. Selbst Licht, das uns eindeutig farbig erscheint, etwa die Strahlung einer Rotlichtlampe, besteht in Wahrheit aus einem breiten Spektrum von verschiedenen Wellenlängen, also unterschiedlichen Farben, deren Überlagerung schließlich die Farbe bestimmt, die wir wahrnehmen. Bei Laserlicht ist das ganz anders: Seine Wellenlänge ist ganz genau festgelegt – es ist monochromatisch, also im physikalischen Sinn einfärbig. Darüber hinaus ist es kohärent, das bedeutet, dass alle ausgesandten Lichtteilchen im gleichen Takt miteinander schwingen. Besonders wichtig für viele technische Anwendungen ist, dass Laserlicht sehr gut fokussiert ist. Leuchtet man mit einer Taschenlampe auf eine weit entfernte Wand, wird die ganze Wand diffus angestrahlt, ein Laser trifft auch auf große Entfernung noch einen scharf sichtbaren Punkt.

Spontane Emission: Ein Lichtquant (ein Photon) trifft auf ein Atom (oben). Dadurch wird ein Elektron in einen Zustand höherer Energie angehoben (Mitte). Dieses Elektron geht nach einer gewissen zeit wieder in den Grundzustand zurück - dabei wird die gespeicherte Energie in Form eines Photons wieder abgegeben.

Der Trick steckt im Atom

Den physikalischen Hintergrund für das Leuchten des Lasers findet man in der Quantenphysik: Elektronen, die an ein Atom gebunden sind, können unterschiedliche Energieniveaus einnehmen. Normalerweise befinden sie sich im Grundzustand, im Zustand niedrigster Energie. Werden sie in einen höheren Energiezustand angehoben, kann man von einem "angeregten Atom" sprechen. Dem Unterschied zwischen dem niedrigen und dem hohen Energieniveau entspricht eine ganz bestimmte Lichtwellenlänge. Bestrahlt man Atome des Grundzustandes mit Licht genau dieser Wellenlänge, so absorbieren sie jeweils ein Lichtteilchen (ein Photon) und sie werden in den angeregten Zustand angehoben. Aus diesem Zustand können die Atome ganz zufällig und spontan wieder in den Grundzustand zurückwechseln. Dabei müssen sie die Energie des absorbierten Photons wieder abgeben – sie senden wiederum ein Lichtteilchen derselben Wellenlänge aus. Diesen Prozess nennt man "spontane Emission".

Aufregende Physik, abgeregte Atome

Wenn aber nun ein Atom bereits im angeregten Zustand ist, und dann ein weiteres Photon absorbiert, kann es dabei wieder in den Grundzustand übergehen – muss nun allerdings gleich die Energie zweier Lichtteilchen loswerden, diesmal werden zwei Photonen emittiert. Diese beiden ausgesandten Photonen sind nun quantenphysikalisch exakte Kopien des absorbierten Photons: Sie haben nicht nur dieselbe Wellenlänge, sie bewegen sich auch in dieselbe Richtung und schwingen in Phase, im selben Takt wie das vorher absorbierte Photon. Das absorbierte Photon wird also kopiert, zwei genau gleiche Lichtteilchen entstehen. Dieser Prozess heißt "stimulierte Emission".

Stimulierte Emission: Ein Lichtquant trifft auf ein Atom, das sich bereits im angeregten Zustand befindet. Unter Aussendung von zwei Lichtquanten kann das Atom in den Grundzustand zurückzukehren. Die beiden Photonen (Lichtquanten) sind exakte Kopien des eingefallenen Photons: Dadurch entsteht eine Vervielfältigung einer quantenphysikalisch genau bestimmten Sorte von Photonen.

Die Photonen-Kopiermaschine

In einem Laser geschieht diese stimulierte Emission zwischen zwei Spiegeln, von denen die Lichtteilchen hin- und herreflektiert werden. Somit treffen die kopierten Photonen immer wieder auf neue bereits angeregte Atome, die sie ihrerseits wieder zu stimulierter Emission anregen können. Dadurch wird der Zustand der Photonen immer weiter vervielfältigt, bis im Laser eine riesige Menge genau identischer Photonen im genau gleichen Takt schwingt. Einer der Spiegel, die den Laser begrenzen, reflektiert nicht vollständig, durch ihn tritt ein gewisser Anteil der Lichtteilchen nach außen. Sie bilden den Laserstrahl, den wir sehen können. Möglich ist dieser Prozess nur, wenn mehr Atome im angeregten Zustand als im Grundzustand vorliegen. Ist das nicht der Fall, werden zu viele der Photonen von den Grundzustandatomen einfach absorbiert anstatt durch stimulierte Emission kopiert zu werden. Man muss also zunächst die Elektronen des Atoms auf ein höheres Energieniveau heben – PhysikerInnen nennen das "Pumpen". Das kann im Inneren des Lasers beispielsweise mit einer starken Lampe (ähnlich einem Fotoblitzgerät) erreicht werden.

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