Laser Physik

Laser sind aus unserem Leben kaum wegzudenken: von einfachen Laserpointern über DVD-Laufwerke bis zu medizinischer und astronomischer Forschung. Doch wie funktioniert ein Laser eigentlich und welche Eigenschaften unterscheiden ihn von anderen Lichtquellen?

Laser Eigenschaften

Vergleichst Du einen Laser mit einer normalen Lichtquelle (etwa einer Glühbirne), fallen Dir vermutlich sofort einige Unterschiede auf. Zum einen ist Laserlicht stark gebündelt und streut kaum wahrnehmbar.

Das kannst Du Zuhause in einem einfachen Versuch beobachten. Dazu strahlst Du eine Taschenlampe und einen Laserpointer in einem abgedunkelten Raum mit etwas Abstand (d₁) auf eine gerade Fläche. Wie Du auf Abbildung 1 sehen kannst, erscheint dann ein kleiner Punkt gegenüber dem Laser und ein größerer Lichtkegel gegenüber der Taschenlampe.

Abb. 1 - Lichtkegel von Taschenlampe und Laser in unterschiedlichen Abständen

Verschiebst Du nun die Fläche nach hinten, vergrößert sich der Radius des Lichtkegels mit zunehmender Entfernung (d₂). Dagegen verändert sich die Größe des Laserpunkts scheinbar gar nicht.

Als Nächstes platzierst Du ein Prisma zwischen den Lichtquellen und der Fläche. Dabei stellst Du fest, dass das Licht der Taschenlampe am Prisma gebrochen und zerlegt wird. Das scheinbar weiße Licht besteht aus einer Überlagerung von Licht verschiedener Farben.

Abb. 2 - Brechung von Licht und Laserstrahlen an einem Prisma

Laserlicht dagegen besteht nur aus einer Farbe, es ist monochromatisch. Gleichzeitig ist es sehr viel stärker als normales Licht. Einige in der Industrie verwendeten Laser können sogar durch Metall schneiden. Damit dies möglich ist, muss Laserlicht kohärent sein.

Ein Laser sendet also stark gebündeltes, monochromatisches Licht aus, das zeitlich und räumlich kohärent ist. Über diese drei Eigenschaften lässt sich ein Laser definieren.

Laser Physik einfach erklärt

Ein Laser ist ein technisches Gerät, dessen Funktionsweise bereits im Namen steckt. Laser ist ein Akronym aus den englischen Wörtern "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Übersetzt bedeutet dies "Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung".

Lichtverstärkung beschreibt, was ein Laser konkret tut, während stimulierte Emission das zugrundeliegende physikalische Prinzip ist. Bei der emittierten (ausgesandten) Strahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung, also Licht.

Doch wie genau funktioniert diese Lichtverstärkung und was ist eigentlich stimulierte Emission? Um das zu verstehen, lohnt es sich, einen Blick auf die physikalischen Grundlagen des Lichts zu werfen.

Laser Physik Grundlagen

Die Grundlagen der Lasertechnologie legte Albert Einstein bereits zu Anfang des 20. Jahrhunderts mit seiner Theorie des Lichts und der stimulierten Emission.

Licht besteht aus kleinen Paketen elektromagnetischer Strahlung, den sogenannten Photonen (auch Lichtquanten). Diese Photonen besitzen sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften. Du sprichst von dem sogenannten Welle-Teilchen-Dualismus.

Verschiedene Lichtquellen, wie die Sonne, eine Glühbirne und auch Laser, senden Photonen aus. Dabei hängt die Wellenlänge eines Photons von seiner Energie ab: je größer die Energie, desto kleiner die Wellenlänge.

Photonen entstehen im Inneren dieser Lichtquellen, wenn ein Elektron aus einem angeregten Energiezustand in einen niedrigeren Energiezustand wechselt. Mehr zu den Energieniveaus von Elektronen erfährst Du in der Vertiefung und in der Erklärung zum atomaren Energieaustausch.

Der Übergang eines Elektrons auf ein niedrigeres Energieniveau kann entweder spontan oder durch äußere Einflüsse erfolgen.

Laser Licht Physik

Der angeregte Energiezustand eines Elektrons ist instabil. Das bedeutet, dass das Elektron schnell in seinen ursprünglichen Zustand (Grundzustand) zurückkehrt. Dabei gibt es die zuvor aufgenommene Energie in Form eines Photons ab. Der genaue Zeitpunkt dieses Ereignisses kann nicht genau bestimmt werden, deshalb sprichst Du von spontaner Emission.

Während der Prozess der spontanen Emission beim Einschalten einer Glühbirne in Gang gesetzt wird, so basiert ein Laser auf dem Phänomen der stimulierten Emission.

Trifft ein Photon auf ein Elektron in einem angeregten Energiezustand, so kann dieses den Übergang des Elektrons auf ein niedrigeres Energieniveau auslösen. Dabei muss die Energie des auftreffenden Photons genau der Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus betragen.

Abb. 4 - Termschemata zu spontaner und stimulierter Emission

Beim Übergang in den niedrigeren Energiezustand sendet das Elektron ein Photon aus, das dieselbe Wellenlänge, Polarisation, Phase und Richtung wie das auftreffende Photon hat (sie sind kohärent). Du kannst Dir das neu erzeugte Photon wie eine Kopie oder einen Klon des ursprünglichen Photons vorstellen.

In einem Laser wird das Licht durch stimulierte Emission erzeugt, dabei wird das Phänomen genutzt, dass sich kohärentes Licht durch Interferenz verstärken kann.

Laser Physik Interferenz

Interferenz ist ein Phänomen, das bei allen Arten von Wellen auftreten kann, die kohärent zueinander sind. Du unterscheidest konstruktive von destruktiver Interferenz.

Doch wie genau wird die stimulierte Emission und die konstruktive Interferenz in einem Laser erzeugt?

Dazu lohnt sich ein Blick ins Innere eines Lasers.

Laser Aufbau Physik

In einem Versuch kannst Du einen eigenen Laser bauen. Dafür benötigst Du die drei grundlegenden Bestandteile eines Lasers: ein Lasermedium, eine Pumpe und einen Resonator.

Die Bauteile ordnest Du anschließend wie auf der folgenden Abbildung gezeigt an:

Abb. 6 - Schematischer Aufbau eines Lasers

Das Lasermedium stellt die Atome bereit, in denen die stimulierte Emission stattfinden kann. Als Lasermedium kann zum Beispiel ein Gasgemisch aus Helium und Neon dienen oder auch ein Festkörper wie ein Rubinkristall.

Mithilfe der Pumpe führst Du dem Lasermedium Energie zu und versetzt dessen Elektronen in einen höheren Energiezustand. Bei einem Laser ist es wichtig, dass eine sogenannte Besetzungsinversion erzeugt wird. Das bedeutet, dass zu jeder Zeit mehr Elektronen in einem angeregten Zustand als in ihrem Grundzustand sind.

Dies setzt eine Kettenreaktion in Gang, bei der immer mehr Photonen entstehen, die ihrerseits stimulierte Emission in weiteren Photonen auslösen.

Noch bewegen sich die Photonen allerdings in alle Richtungen. Erst durch den Resonator werden sie gebündelt und weiter verstärkt. Der Resonator besteht aus zwei gegenüberliegenden Spiegeln, die die Photonen reflektieren. Dadurch durchqueren die Photonen das Lasermedium häufiger und setzen durch stimulierte Emission immer mehr Photonen frei. Bei einer bestimmten Ausrichtung der Spiegel zueinander, kann sich eine stehende Welle bilden, die mit sich selbst konstruktiv interferiert.

Doch wie gelangen die Photonen nun aus dem Laser?

Einer der beiden Resonator-Spiegel ist teilweise durchlässig, das bedeutet, er lässt nur einen geringen Prozentsatz (je nach Lasertyp 1-20%) des auftreffenden Lichts durch. Du bezeichnest diesen Spiegel auch als Auskoppler. Die austretenden (ausgekoppelten) Photonen werden anschließend als eigentlicher Laserstrahl sichtbar.

Doch wozu werden überhaupt diese gebündelten Lichtstrahlen benötigt?

Laser Anwendung Physik

Nachdem Albert Einstein mit seiner Theorie der stimulierten Emission die Grundlage für die Lasertechnologie gelegt hatte, dauerte es weitere 50 Jahre, bis der erste Laser 1960 gebaut wurde. Damals wurde diese Technologie als "solution looking for a problem" ¹ bezeichnet, also als Lösung, die nach einem Problem sucht. Man wusste also zunächst nicht, wie man einen Laser einsetzen könnte.

Inzwischen ist die Lasertechnologie die Lösung für eine Vielzahl von Problemen in Wissenschaft, Alltag und Medizin. Im Folgenden findest Du einige ausgewählte Anwendungsmöglichkeiten.

Laser Anwendung Physik: DVD-Laufwerke

Im Alltag begegnet uns der Laser überall. Vom Barcode-Scanner im Supermarkt und dem einfachen Laserpointer bis zum Laserdrucker und dem DVD-Laufwerk.

Betrachtest Du die Rückseite einer DVD, so fallen Dir wahrscheinlich die feinen, kreisförmigen Rillen im Material auf. Gibst Du die DVD nun in ein Laufwerk, so fährt ein Laser über diese feinen Rillen, die ihrerseits sogenannte Pits besitzen (das sind die kleinen, unregelmäßigen Vertiefungen).

Abb. 7 - Funktionsweise des Lasers in einem DVD-Laufwerk

Das Licht wird dabei unterschiedlich reflektiert, je nachdem, ob der Laser gerade über eine Erhöhung oder Vertiefung fährt. Dieses Muster wird in eine Folge von Nullen und Einsen (Binärcode) konvertiert. Aus diesen kann ein Computer dann die auf der DVD gespeicherten Daten auslesen. Dasselbe Prinzip gilt auch für eine CD und ähnliche optische Speichermedien.

Laser Anwendung Physik – LIGO

Auch aus der naturwissenschaftlichen Forschung wäre die Lasertechnologie nicht mehr wegzudenken. Neben der Anwendung zur Untersuchung kleinster Strukturen mit Laser-Mikroskopen, kann die Technik auch angewendet werden, um die Geheimnisse unseres Universums zu entschlüsseln. Ein Beispiel ist LIGO, mit dessen Hilfe der Nachweis von Gravitationswellen gelang.

In der LIGO-Anlage laufen zwei Laser rechtwinklig zueinander und werden (wie auf der folgenden Abbildung) an verschiedenen Spiegeln reflektiert.

Abb. 8 - stark vereinfachter Aufbau des LIGO-Observatoriums

Dort, wo die Laser aufeinandertreffen, interferieren sie. Gravitationswellen führen dazu, dass sich die Länge der Laser verändert. Es kommt zu einer Phasenverschiebung und die Stärke der Interferenz ändert sich. Damit können extrem starke Gravitationswellen nachgewiesen werden.

Laser Anwendung Physik – Medizin

In der Medizin werden Laser vorwiegend in der Chirurgie eingesetzt. Das bekannteste Beispiel ist etwa die Korrektur der Sehschärfe durch Laser (refraktive Chirurgie). Dabei wird die Hornhaut des Auges mit einem Laser geformt oder teilweise entfernt und so die Sehschärfe verbessert.

Weiterhin kommen Laser zunehmend auch in der Tumorbehandlung zum Einsatz. Durch hochpräzise Laser können hauptsächlich oberflächlich liegende Tumore (insbesondere Hautkrebs) behandelt werden, indem die energiereiche Laserstrahlung gezielt Tumorzellen zerstört und entfernt.