Ordnung statt Wellensalat

Ein Laser produziert Licht eines sehr engen Wellenbereichs, hier ein paar Beispiele für Laser im sichtbaren Licht. © Pang Ka kit / CC-by-sa 2.5 gen

Laser ist der Alleskönner unter den vielen Spielarten des Lichts – es gibt kaum etwas, wozu man das Laserlicht nicht einsetzen kann. Aber was macht es so vielseitig und gleichzeitig besonders? Immerhin haben das Licht einer Glühlampe und ein Laserstrahl eines gemeinsam: Beide sind elektromagnetische Strahlung. Doch damit enden die Gemeinsamkeiten fast schon wieder. Denn verglichen mit dem ungerichteten, chaotischen Wellensalat des normalen Lampenlichts, ist das Laserlicht extrem geordnet und rein.

Strohhalm statt Gießkannenprinzip

Der erste Unterschied liegt in der spektralen Zusammensetzung: Die Sonne oder eine Glühlampe erzeugen Licht, das aus einem kontinuierlichen Spektrum von Wellenlängen besteht. Es erscheint deshalb fast weiß. Anders dagegen ein Laser: Sein Licht ist auf einen extrem engen Ausschnitt des Spektrums beschränkt. Viele Laser sind sogar monochromatisch und strahlen nur mit einer einzigen Wellenlänge.

Das aber macht den Laser zu einem echten Präzisionsinstrument: Forscher können seine Wellenlänge so präzise einstellen, dass sie genau die Resonanzfrequenz eines Atoms oder Moleküls trifft. Dadurch können sie das Atom zum Schwingen bringen und aufheizen oder sogar seine Vibration bremsen und die Atome abkühlen.

Laserstrahlen sind so gerichtet, dass sie bis zum Mondorbit reichen, ohne stark aufzufächern. Hier ein Blick auf die NASA Laser Ranging Facility, die Raumsonden im Mondorbit per Laser tracken. © NASA/ GSFC

Gebündelte Intensität

Ein weiterer Unterschied des Lasers zur Glühlampe: Der Strahl einer Taschenlampe weitet sich mit steigender Entfernung auf – er wird schnell breiter und dadurch schwächer, weil die Photonen in ihm in verschiedene Richtungen fliegen. Im Laserstrahl ist das Licht aber gerichtet, die Photonen bewegen sich annähernd parallel. Der Strahl streut dadurch selbst über tausende von Kilometern kaum. Das ermöglicht es beispielsweise, die Position von Raumsonden im Mondorbit zu bestimmen oder die Entfernung des Mondes genau zu messen.

Die starke Bündelung des Laserlichts hat einen weiteren Vorteil: Er hat eine hohe Photonendichte und ist dadurch sehr energiereich. Im Extremfall kann man mit einem Laser sogar Stahl schneiden – das Material schmilzt und verdampft durch die enorme Energie. Gleichzeitig macht dies Laser auch zu Präzisionswerkzeugen, beispielsweise in der Medizin: Gezielt und mikrometergenau kann man mit ihnen feinste Schnitte durchführen oder dünne Schichten abtragen.

Vom Laserlicht zum Hologramm

In einem Laserstrahl bewegen sich die Photonen aber nicht nur in die gleiche Richtung, sie schwingen auch im gleichen Takt. Dadurch aber können bei Überlagerung zweier Laserstrahlen Interferenzmuster entstehen: Je nachdem, in welcher Phase die Wellen aufeinandertreffen, löschen sie sich entweder gegenseitig aus oder sie verstärken sich. Solche Interferenzmuster sind nicht nur die Grundlage für viele Messmethoden, durch sie lassen sich auch Hologramme erzeugen.

Dafür geht ein Teilstrahl eines Lasers direkt auf den Film oder Fotosensor, der andere wird zuvor auf das Objekt gelenkt. Durch die Überlagerung beider Teilstrahlen entsteht ein Interferenzmuster, das Informationen über Form und Tiefenstruktur des Objekts als Phasenverschiebungen kodiert. Diese Informationen werden mithilfe spezieller Programme in ein digitales holografisches Bild umgewandelt.

Inzwischen lassen sich solche Hologramme schon als 3D-Video und mit erstaunlich großer Tiefenschärfe erzeugen. Auch freischwebende Projektionen wie im „Star Wars“-Film und sogar multimodale Hologramme mit Sound und taktilem Feedback haben Forscher schon entwickelt.

Nadja Podbregar