Die Erfindung der Laserstrahlen
Wie im ersten Teil berichtet, ist die moderne Welt ohne die Laserstrahlen gar nicht vorstellbar. Medizin, Computer, CD, Waffen und natürlich der weltweite Einsatz der Laserprojektoren von SL Laser in der Produktion – das alles gäbe es ohne die Laserstrahlen nicht. Doch bevor Gordon Gould 1959 als Doktorand die mögliche Existenz von Laserstrahlen postulierte und sich passenderweise auch den Namen dafür ausdachte, musste erst ein Genie wie Einstein her. Der hatte 1917 bereits gefordert, dass so etwas wie eine stimulierte Emission möglich sein müsste, jedenfalls wenn seine anderen Gleichungen stimmen würden.
Und er hatte sich dabei wohl auch durch einige Gedanken von Max Planck stimulieren lassen. Denn der hatte mit seiner Quantentheorie die Grundlage für solche Erkenntnisse gelegt. Planck hatte entdeckt, dass elektromagnetische Strahlung nicht als kontinuierlicher Strom besteht, sondern in kleinen Paketen sozusagen geliefert wird. Das sind eben diese Quanten, die dann manchmal auch so seltsam springen. Aber was mag eine stimulierte Emission sein?
Springende Photonen
Dazu müssen wir noch ein wenig tiefer graben. Photonen sind diese Elementarteilchen, die keine eigene Masse haben. Sie haben aber Energie, einen Impuls und einen Drehimpuls. Wenn sie zu einem System mit begrenztem Volumen gehören, tragen sie mit dieser Energie zu seiner Masse bei. Das klingt genauso kompliziert wie es ist – und dennoch sind diese Photonen die Teilchen, aus denen das Licht bzw. die elektromagnetische Strahlung besteht. 1905 schrieb dann Einstein, das Licht bestehe aus „in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen, und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können“. Das wurde lange Zeit genauso bezweifelt wie Plancks Quantentheorie. Aber 14 Jahre später bekamen Max Planck und auch Einstein dann den Nobelpreis für Physik für diese (später) bahnbrechenden Erkenntnisse..
Einstein meinte 12 Jahre nach seiner Theorie, dass man Atome zu einem höheren Energielevel anregen können müsste, in dem man sie mit Photonen füttert. So ein durch ein absorbiertes (und dabei vernichtetes) Photon angeregtes Atom müsse sich dann bemühen, auf das niedrigere Energielevel zurückzukehren. Das kann es tatsächlich auch, in dem es ein neues Photon abgibt. Das geschieht zwar ständig, aber eben spontan und ohne für uns sichtbare Folgen.
Das geht so schnell, dass man es mathematisch ausdrücken muss, nämlich in 10 hoch minus 8 Sekunden. Wenn man diesen Vorgang jedoch bewusst herbeiführt, also praktisch stimuliert, erhält man diese stimulierte Emission. Diese Art der Emission ist neben der spontan auftretenden Emission und der Absorption übrigens eine von nur drei möglichen Wechselwirkungen von Materie und elektromagnetischer Strahlung. Mit dem Laser hat das insofern zu tun, als dass der L.A.S.E.R. eben mit „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ funktioniert. Das heißt also mit Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission.
Der Laserstrahl ist also eine Folge extrem schneller und absichtlich herbeigeführter massenhafter Emission von Photonen aus vorher angeregten Atomen, die als Strahl in eine Richtung gelenkt werden. Das ist also ein künstlich erzeugtes Licht mit einem zunächst extrem kleinen Strahlen-Durchmesser. Und wie man das von der reinen Theorie in die Praxis umsetzte und damit einen weiteren Beweis für die Quantentheorie lieferte, berichten wir im nächsten Blogbeitrag.