Radar, Rubine und Rasierklingen – Oder: Wie der Laser strahlen lernte

08.06.2015 - Oliver Hagenlocher

Als Charles Hard Townes im Januar 2015 starb, gab es kein großes Medienecho. Dabei hat Charles Hard Townes, zusammen mit Nikolay Gennadiyevich Basov und Aleksandr Mikhailovich Prokhorov, 1964 den Nobelpreis für eine Erfindung bekommen, ohne die die Welt heute eine andere wäre. Weder Filme auf DVD und Blu-ray oder Musik auf CD´s wären möglich gewesen, ohne die geniale Erfindung, die eigentlich dazu dienen sollte, die Leistung von Mikrowellenstrahlung zu verbessern.


Charles Hard Townes begann seine Karriere bei den Bell Labs, wo er sich, vor allem getrieben durch den Zweiten Weltkrieg, mit der Weiterentwicklung von Radarsystemen beschäftigte. Hier sollte er seine Erkenntnisse aus der Mikrowellenforschung einbringen, mit der er sich vor dem Krieg beschäftigte. Nach dem Krieg führte Townes die Forschung in der Mikrowellenspektroskopie fort. Doch die technologischen Barrieren schienen zu dieser Zeit für Townes und seine Kollegen, mit denen er später den Nobelpreis teilte, noch unüberwindbar. Beim Versuch, einen Mikrowellenverstärker für möglichst keine Wellenlängen herzustellen, scheiterten die drei Nobelpreisträger an der damals verfügbaren Technik und waren gezwungen, in eine andere Richtung zu denken. Dabei griffen sie dann auf ein Postulat Einsteins zurück.

 
Der MASER – Vorläufer des Lasers
Einstein sagte voraus, dass elektromagnetische Strahlung mit Materie wechselwirkt. Ein bis Dato in der Praxis nicht bewiesener Prozess. Einstein bezeichnete den Prozess als stimulierte Emission. Der Prozess ist in seiner Gesamtheit nicht ohne die Quantenphysik zu verstehen, daher hier der Versuch einer vereinfachten Erklärung: Atome befinden sich steht in einem quantisierten Energiezustand. Dieser Energiezustand kann durch die Zuführung von Energie zu einem angeregten Zustand überführt werden. Fällt das Atom wieder in seinen Grundzustand zurück, wird die zuvor zugeführte Energie wieder in Form von Photonen abgegeben. Diese Energie kann dann genutzt werden, um Strahlung zu verstärken.

Da es technisch nicht möglich war, einen Mikrowellenverstärker für kleine Wellenlängen herzustellen, kamen Townes, Basov und Prokhorov auf die Idee, diesen Effekt zu nutzen, um diese kleinen Wellenlängen zu verstärken. Die Idee für den MASER war geboren. Nach zwei Jahren der intensiven Forschung gelang es schließlich Townes und seiner Arbeitsgruppe 1953 den ersten funktionierenden Maser herzustellen, der das Postulat Einsteins bestätigte.

Weiter im Spektrum
Die Prozess vom Maser zum Laser war letztendlich der konsequenten Weiterentwicklung des Maser-Prinzips geschuldet. Man wandte sich immer kleineren Wellenbereichen zu, bis man schließlich im Bereich der optischen Wellenlängen ankam. 1958 stellten Townes und Schawlow das Konzept des Lasers der Öffentlichkeit vor und meldeten ein entsprechendes Patent an. Es sollte allerdings zwei weitere Jahre dauern, bis der erste funktionierende Laser hergestellt wurde – erstaunlicherweise nicht von Townes und seiner Arbeitsgruppe, sondern von Thomas Maiman, der in den Hughes Aircraft Laboren arbeitete. Dieser erste Laser war ein Festkörperlaser auf der Basis eines Rubins. Fairerweise muss man sagen, dass die Konstruktion für den Laser von Townes und seinem Team stammt, Maiman aber deren technische Umsetzung gelang. Radar und Rubine, soweit so gut, doch wo kommt nun die Rasierklinge ins Spiel? Die Antwort ist sowohl einfach wie auch kurios: Da man hier ein ganz neues Gebiet der Technik betrat, gab es schlicht keine Maßeinheit, um die Stärke eines Lasers zu beschreiben. Anfangs experimentierte man mit der Stärke des Laserstrahls, indem man auf Rasierklingen von Gillette schoss. Es wurde gemessen, wie viele Rasierklingen der Laser durchschlug. So war „Gillette“ zunächst die Einheit, mit der diese Stärke angegeben wurde.

Eine Erfindung mit Tausenden von Anwendungen
Seit der Entwicklung des Lasers vor nun fast 60 Jahren, hat sich eine Vielzahl von technischen Anwendungen aus dem Laser entwickelt. Die eingangs angesprochenen optischen Medien wären ohne den Laser undenkbar, ebenso wie viele technische Prozesse in modernen Fertigungsbetrieben, wie das Laserbeschriften und das Laserschweißen. Interessanterweise nutzt man für das Laserschweißen heutzutage z.B. auch wieder Festkörperlaser, also das gleiche Prinzip, auf dem der erste Laser beruhte, nachdem man lange Jahre eher mit Gaslasern, wie dem CO2-Laser gearbeitet hatte. Wie sich herausgestellt hat, ermöglicht der Einsatz von Festkörperlasern in modernen Produktionslaserschweißanlagen erhebliche Kostenvorteile. Es ist nicht nur weit weniger Energie nötig, um die Laserquelle zu betreiben, auch nimmt der gesamte Aufbau einer Laserschweißanlage mit Festkörperlaser nur den Bruchteil des Platzes ein, den eine vergleichbare Anlage mit CO2-Laser benötigen würde. Dies liegt vor allem daran, dass die gesamte Gaslogistik wegfällt. Die Laserschweißanlagen der ELC-Baureihe werden vor allem bei der Fertigung von Getriebeelementen eingesetzt und ermöglichen die Fertigung von Leichtbauelementen. Dass der Leichtbau von Getriebeteilen bei Fahrzeugen mit der Entwicklung von Radarsystemen und Mikrowellenverstärkern begonnen hat, hätte wohl niemand gedacht.

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