Ein Wasserfall von Elektronen

Das energiereiche Licht des Laserstrahls beruht auf einer fundamentalen Wechselwirkung von Energie, Licht und Materie. Die entscheidenden Ereignisse dafür finden im Mikrokosmos statt – in der Hülle der Atome. Wenn Laserlicht entsteht, passiert dort etwas, das schon Albert Einstein im Jahr 1917 theoretisch beschrieb: die stimulierte Emission von Photonen.

Wenn ein angeregtes Elektron aus seiner höheren Bahn wieder zurückfällt, gibt es die überschüssige Energie in Form eines Photons ab. © scinexx

Wenn Elektronen fallen

Nach dem gängigen Atommodell bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Energieniveaus um den Kern. Je weiter außen ihre Bahn, desto energiereicher ist ihr Zustand. Durch Bestrahlung können Elektronen vorübergehend auf eine höhere Bahn gehoben werden, sie werden angeregt. Fallen sie dann wieder in ihren Grundzustand zurück, geben sie die überschüssige Energie als Photon ab – es entsteht Licht. Durch dieses natürliche Phänomen leuchten beispielsweise manche Kristalle im Dunkeln und die Federn einiger Papageien fluoreszieren im UV-Licht bunt.

Für einen Laserstrahl wäre diese spontane Emission von Photonen allerdings viel zu schwach, sie muss verstärkt werden. Erreicht wird dies durch das sogenannte Pumpen: Das Lasermedium wird durch elektrische Energie oder Lichtblitze so aufgeladen, dass eine große Menge angeregter Elektronen quasi auf Warteposition vorliegt. Je nach Lasertyp kann dieses Medium aus einem Kristall bestehen, aus einem Gas oder sogar einer Flüssigkeit. Wichtig ist nur, dass die Elektronenhülle des Materials diese „Vorratshaltung“ angeregter Elektronen ermöglicht.

Grundschema des Rubin-Lasers, einem der ersten Lasertypen. © Lawrence Livermore National Laboratory

Kettenreaktion im aktiven Medium

Wie bei einem Felsblock, der auf einer Kante balanciert, reicht nun ein winziger Anstoß, um alle angeregten Elektronen auf einmal zu destabilisieren. Im Laser reichen einige wenige Photonen aus, um diesen Anstoß zu liefern. Die Elektronen fallen dann alle gleichzeitig in ein niedrigeres Energieniveau zurück und setzen nun ihrerseits große Mengen an Photonen frei. Diese Kettenreaktion wird als stimulierte Emission bezeichnet. Das Akronym LASER bedeutet nichts anderes als „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ – Lichtverstärkung durch stimulierte Emission.

Eine simple, aber raffinierte Konstruktion sorgt dafür, dass die Kettenreaktion in Gang kommt und verstärkt die Emission des Lasers: Das Lasermedium liegt zwischen zwei Spiegeln, die die emittierten Photonen reflektieren und so weitere Elektronen zur Emission anregen. Der Laserstrahl entsteht, weil einer der beiden Spiegel am Laser halbdurchlässig ist. Durch ihn können die Photonen austreten. Weil alle Photonen dieses Strahls durch den gleichen Prozess entstanden sind, haben sie die gleiche Energie, Phase und Richtung.

Der erste, der das Prinzip des Lasers praktisch umsetzte, war der US-Physiker Theodore Maiman. Er nutzte einen Rubinkristall als Lasermedium, den er mit Blitzlicht-Lampen anregte. Damit schuf Maiman den ersten Festkörper-Laser – stieß damit aber zunächst auf wenig Begeisterung bei Fachkollegen: Als er die Beschreibung seiner Erfindung beim renommierten Fachmagazin „Physical Review Letters“ einreichte, lehnten die Gutachter sein Manuskript ab. Erst bei der „Nature“ hatte Maiman mehr Glück. Als sein Fachartikel im August 1960 erschien, war dies der Beginn einer neuen Ära – der Siegeszug des Laser war nicht mehr aufzuhalten.

In diesen Laufwerk sitzen gleich zwei Laserdioden: eine blaue für Blu-Rays und eine rote für DVDs © gemeinfrei

Laserdioden – die Zwerge

Ein Sonderfall sind Halbleiter- oder Diodenlaser. Sie funktionieren zwar nach dem gleichen Prinzip der stimulierten Emission, bei ihnen bewegen sich die Elektronen aber frei im Kristall eines Halbleiters. Dieser besteht aus zwei Schichten, einer mit Elektronenmangel, einer mit Überschuss. Legt man nun eine Spannung an, wandern die Elektronen zu einer Grenzschicht und füllen dort die „Löcher“ in den Elektronenhüllen der Atome auf. Die dabei abgegebenen Photonen werden wie bei einem normalen Laser durch Spiegel mehrfach reflektiert und treten dann als Laserstrahl aus.

Der große Vorteil solcher Laserdioden ist ihre geringe Größe und ihr geringer Preis. Durch sie wurden Allerwelttechnologien wie Laserpointer, Laserdrucker, CD-Player, Blu-Ray-Player oder die Scannerkasse im Supermarkt erst möglich. Auch bei der optischen Datenübertragung in Glasfaserkabeln werden meist Laserdioden eingesetzt.

Nadja Podbregar