Lasertechnologie: Geschichte und Anwendungsbereiche

Egal, ob Laserdrucker, Geräte zur Haar- und Tattooentfernung oder Maschinen, die Plexiglas schneiden – die Lasertechnologie ist längst in unserem Alltag angekommen. Und doch ist sie ein relativ junges Phänomen – der erste Laser wurde erst in den 1960er-Jahren entwickelt. Wir werfen einen Blick in die Geschichte, verraten, was Albert Einstein damit zu tun hat und zeigen auf, wo die Lasertechnologie überall Anwendung findet.

Wer an Laser denkt, denkt zweifelsohne an das leuchtende Schwert eines bekannten Jedi-Ritters. Doch wir müssen uns gar nicht mehr in eine fiktive Galaxie wie in den Star-Wars-Filmen begeben, sondern die Lasertechnologie ist längst Teil unseres modernen Lebens. Doch wo liegen eigentlich die Anfänge der Lasertechnologie?

Einstein und die stimulierte Emission

Eine große Rolle bei der Erfindung des Lasers spielte der bekannte deutsche Physiker Albert Einstein. Er hat den Grundstein dafür gelegt, dass Menschen sich überhaupt mit dieser Technologie beschäftigen konnten. Der in Ulm geborene Wissenschaftler war es nämlich, der 1916 in seinem Aufsatz „Zur Quantentheorie der Strahlung“ die sogenannte „stimulierte Emission von Licht“ postulierte. Unter einer stimulierten Emission – auch induzierte Emission genannt – versteht man Aussendung eines Photons, wenn diese nicht spontan erfolgt, sondern durch ein anderes Photon ausgelöst wird.

Vereinfacht bedeutet dies: Zunächst braucht es ein quantenmechanisches System, zum Beispiel ein Atom. Wird diesem Energie zugeführt, zum Beispiel, weil es auf ein anderes Atom trifft oder ein Photon absorbiert, so wird das Atom angeregt. Sein Energiezustand erhöht sich. Doch diesen angeregten Zustand kann es nicht lange halten und will rasch in seinen Ursprungszustand zurückkehren, indem es ein nichtgerichtetes Lichtteilchen ausstößt. Außer: Es stößt ein Photon mit einer Energiedifferenz, die sich genau zwischen dem aktuellen Zustand und einem Level mit geringerer Energie befindet, auf dieses angeregte Atom. Dann wechselt das Atom nicht nur in einen Zustand niedrigerer Energie zurück, sondern stößt auch ein weiteres Photon aus. Und dieses ist in puncto Energie, Wellenlänge und Richtung ident mit dem ursprünglichen Photon. Es ist also gewissermaßen eine steuerbare Kopie. Die beiden Photonen können in weiterer Folge weitere Atome anregen. Die Folge: Das Licht wird verstärkt. Einstein bezeichnete diesen Prozess zunächst einfach als „Zustandsänderung durch Einstrahlung“ – er hatte noch keinen klingenden Namen dafür.

Der erste Laser aus Malibu

In den darauffolgenden Jahren versuchten viele Forscher, quer über den Globus verteilt, diese Annahme zu beweisen – dementsprechend gibt es unterschiedliche Auffassungen darüber, wer auf welchem Gebiet der erste gewesen ist. So gelang etwa den deutschen Physikern Rudolf Ladenburg und Hans Kopfermann in den 1920er-Jahren der experimentelle Nachweis Einsteins Theorie. Aber auch der russische Physiker und Hochschullehrer Walentin Alexandrowitsch Fabrikant formulierte in den 1930er-Jahren eine konkrete Methode zum experimentellen Nachweis. 1950 entwickelten wiederum der amerikanische Physiker Charles H. Townes und die beiden russischen Physiker Nikolai Gennadijewitsch Bassow und Alexander Michailowitsch Prochorow die Quantentheorie der stimulierten Emission und wiesen das Phänomen anhand von Mikrowellen nach. Dafür erhielten sie später den Nobelpreis. Aus dieser Zeit stammt somit der Maser, ein Laser im Mikrowellenbereich. Der Begriff „Maser“ steht dabei für „Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation“.

Kurz darauf wurde mit der Verkürzung der Wellenlänge der verwendeten Strahlung experimentiert: der „Laser“, als Kurzform von „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ war geboren, wobei er anfangs noch als „optischer Maser“ bezeichnet wurde. Hierbei gelten insbesondere die amerikanischen Physiker Gordon Gould und Theodore Maiman als Pioniere. Gould prägte den Begriff „Laser“, Maiman setzte das Wissen schließlich 1960 in die Tat um: Er baute am Forschungsinstitut Hughes in Malibu den ersten Laser – einen Rubinlaser. Doch es dauerte wieder ein paar Jahre, bis seine Erfindung auf die nötige Resonanz stieß. Der erste Bereich, der mit dieser Technologie arbeitete, war das Militär. Dort wurde der Laser zum Messen von Entfernungen eingesetzt. Erst nach und nach erkannte man dieses bahnbrechende Potential. In der Folge entstanden erste Gaslaser, Halbleiterlaser, CO2-Laser oder Farbstofflaser.

Laser in unserem Alltag

Von dort aus ist es im wahrsten Sinne des Wortes nur noch ein Quantensprung bis zur Gegenwart. Und doch sticht in den 1980er-Jahren eine weitere Innovation aus der Masse hervor: die Photonik. Hierfür verschmelzen Laserdioden als modulierbare Lichtquellen und die Glasfaserübertragung. Und das ist letztendlich die Voraussetzung für das Internet, wie wir es heute kennen. Denn erst die parallele Übertragung von Licht mit verschiedenen Wellenlängen ermöglicht hohe Datenübertragungsraten. Daneben wurde bereits in den 1970er-Jahren damit begonnen, Halbleiterlaser massenhaft einzusetzen – nämlich zur optischen Datenspeicherung bei CDs und CD-ROMs. In den 1990er-Jahren experimentierte man schließlich erstmals mit Nanolasern – also eine Art Miniatur-Lichtquellen, die vor allem in der Medizin und erneut zur Verarbeitung von Daten herangezogen werden. Heute finden Laser in ganz unterschiedlichen Bereichen Anwendung – von Laserdruckern und optischen Laufwerken über Barcodelesegeräte, Holografie und Lichteffekten bis hin zu Wolkenhöhenmessern, Brandmeldern, Mikroskopen, Laserskalpellen und Lasertherapiegeräten.

Verschiedene Lasertypen

Ganz allgemein lassen sich Laser auf unterschiedliche Art und Weise kategorisieren – zum Beispiel anhand des eingesetzten optischen Mediums oder anhand des Aggregatzustandes. Heute werden daher folgende Lasertypen unterschieden:

• Gaslaser (z.B. Hellium-Neon-Laser, CO2-Laser etc.)
• Festkörperlaser (z.B.: Nd:YAG-Laser, Laserdiode, Titan:Saphir-Laser)
• Farbstofflaser (Laser mit flüssigem Lasermedium wie Stilbene, Cumarine oder Rhomadine)

Laser in der Industrie

Ein großes Anwendungsgebiet für Laser ist die Industrie. Und hierbei spielt eine Innovation aus dem Jahre 1963 eine große Rolle. Zu dieser Zeit konzipierte der indische Physiker Chandra Kumar Naranbhai Patel den ersten Kohlendioxid-Laser. Der CO2-Laser ist bis heute im Einsatz – nicht zuletzt dank der kostengünstigen Herstellung und hohen Effizienz. Denn aufgrund der hohen Strahlleistung eignen sich CO2-Laser insbesondere zum Schneiden, Bohren und Schweißen von Metallen.

Anfänglich wurde mit CO2-Lasern mit nur einem Milliwatt gearbeitet, doch bereits in den ersten Jahren stieg die Leistung kontinuierlich auf 1.000 Watt an. In den späten 1960er-Jahren läutete Peter Houldcroft schließlich die kommerzielle Nutzung dieser Erfindung ein. Bis dahin waren die verfügbare Leistung der Laserquellen und deren Kompaktheit große Hindernisse gewesen. Houldcroft erfand ein Schneidverfahren mit Hilfsgas und Fokussierdrüse und demonstrierte dieses zum ersten Mal 1967 in Cambridge: Mithilfe eines sauerstoffunterstützten CO2-Laserstrahls durchschnitt er ein ein Millimeter dickes Stahlblech.

Fortan wurden die Technologien immer fortschrittlicher, die Anwendungsgebiete diverser. Vor allem in der Automobil- und Flugzeugproduktion setzte man früh auf Laser, um Metall zu schneiden oder zu schweißen. 1979 kam die erste Laser-Stanzmaschine zur Blechbearbeitung auf den Markt und in den 1980er-Jahren wurden die Lasergeräte nochmals kompakter und kostengünstiger. So lässt sich heute damit nicht nur Metall bearbeiten, sondern auch Holz, Kunststoff oder Schaumstoff. Mit Lasern wird geschnitten, graviert, perforiert, gehärtet, umgeschmolzen, geschweißt oder gebohrt. Zu den häufigsten Lasertypen in der Materialbearbeitung zählen:

• CO2-Laser: gehören zu den Gaslasern und arbeiten mit infraroter Strahlung und einem Gasgemisch
• Nd:YAG-Laser: gehören zu den Festkörperlasern und arbeiten mit infraroter Strahlung und Kristall
• Faserlaser: gehören zu den Festkörperlasern und arbeiten mit dem Kern einer Glasfaser
• Scheibenlaser: gehören zu den Festkörperlasern und arbeiten mit einem Laser-Kristall in Form einer Scheibe
• Diodenlaser: gehören zu den Festkörperlasern und arbeiten mit einem Halbleiter (Diode) und elektrischem Strom