Von der Theorie in die Praxis

Wie wir in den ersten beiden Teilen dieser kleinen Blog-Serie zu den Laserstrahlen ausführten, sind Laserstrahlen nichts anderes als Photonen, die aus angeregten Atomen springen. Doch warum werden diese zu einem Strahl, der so stark sein kann, dass damit selbst Stahlplatten durchbohrt werden können? Das liegt zum größten Teil an einem Phänomen, dass Einstein bereits um 1905 theoretisch gefordert hatte, das aber erst 45 Jahre später experimentell bewiesen werden konnte. Danach dauerte es nur noch 10 Jahre, bis Theodore Maimann in Malibu am Forschungsinstitut Hughes den ersten funktionstüchtigen Laser vorstellte. Photonen, die von angeregten Atomen abgegeben werden, verhalten sich kohärent.

Das Phänomen der Kohärenz besteht darin, dass sich die abgegebenen Photonen wie identische Kopien der zuerst absorbierten Photonen verhalten. Sie haben also die gleiche Menge Energie und die gleiche Wellenlänge. Dazu bewegen sie sich in die gleiche Richtung, haben die gleiche Art Schwingung und die gleiche Phase im Winkel. Man kann also eine Kettenreaktion hervorrufen, wenn man es schafft eine Menge angeregter Atome bereitzuhalten, die dann durch die Absorption eines Photons zur Abgabe vieler identischer Photone stimuliert werden.

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Dazu müssen allerdings einige wesentliche Regeln beachtet werden, wie z.B., dass das System sich eben bereits in einem angeregten Zustand befindet. Sonst würde die reine Absorption erfolgen und kein Laserstrahl entstehen. Die Mehrheit der Atome muss sich also in einem energiereichen Zustand befinden, dem sogenannten oberen Laserniveau. Damit herrscht dann eine sogenannte „Besetzungsinversion“. Der Trick besteht jetzt sehr vereinfacht ausgedrückt darin, dass die stimuliert abgegebenen Photonen durch Spiegel immer wieder durch das System geleitet werden.

Immer mehr Atome geben dadurch identische Photonen ab und bilden schließlich den Laserstrahl. Damit das funktioniert, muss einer der Spiegel aber nicht ganz perfekt reflektieren, sondern sozusagen einen Durchlass für die Photonen ermöglichen. Dann entsteht ein außerhalb des Systems verwertbarer Strahl. Die Art des verwendeten Mediums oder Systems entscheidet dabei über die Frequenz dieses Strahls und bestimmt damit seine Farbe.

Sofern alle Regeln eingehalten werden, reicht also die Zufuhr einer gewissen Menge Energie dazu aus, dass sich die Photonen durch Spiegelwirkung vermehren und als Energie in Form eines Strahls abgegeben werden. Diese Spiegel werden als Resonatoren bezeichnet. Ihre Form und Anordnung entscheiden darüber, welche Ausbreitung und Stärke der Laserstrahl besitzt. Als es Theodore Maimann gelang, diese Theorien in die Tat umzusetzen, fand er nach vielen Versuchen einen synthetisch erzeugten roten Rubin als passendes Medium.

Heute sind sehr viele Medien für Laserstrahlen hinzugekommen. Jedes dieser Medien entscheidet über die Frequenz, Farbe und andere Eigenschaften des Laserstrahls. Heute werden dazu Kristalle, Gase oder auch Flüssigkeiten verwendet. Alle mit unterschiedlichen Ergebnissen. Welche Ergebnisse es gibt, erfahren Sie im nächsten Beitrag.