sondern konzentriert es zu einem dünnen, intensiven, bleistiftförmigen Strahl. Zum anderen ist das Licht äußerst rein oder „kohärent“ — so als erzeuge man auf einem Musikinstrument nicht viele Töne gleichzeitig, sondern einen einzigen, reinen Ton.

Wegen dieser besonderen Eigenschaften hat der Laser in die verschiedensten Anwendungsbereiche Eingang gefunden. Dank der geradlinigen Ausbreitung des Laserlichts konnte man die Entfernung zwischen Mond und Erde messen, indem man einen Laserstrahl durch ein 152-cm-Teleskop schickte. Die Entfernung konnte auf 25 mm genau gemessen werden. Das Laserlicht eignet sich aufgrund seiner hohen Intensität zum Schneiden und Schweißen. Papier, Stoff und sogar Diamanten können damit geschnitten werden, und durch starke Kohlendioxidlaser kann man dicke Stahlplatten sehr schnell miteinander verschweißen. Für die Chirurgie gibt es Laserskalpelle. Sie lassen sich präziser handhaben als eine Messerklinge und verfügen über den zusätzlichen Vorteil, daß der Laserstrahl das Blut zum Gerinnen bringt, so daß die Blutgefäße nicht mehr mit Klammern abgeklemmt werden müssen. Wenn sich bei jemandem im Auge die Netzhaut abgelöst hat, wird sie operativ mit einem Argonlaser wieder angeschweißt, und auch bei Stimmbandoperationen hat man schon ähnliche Experimente durchgeführt.

Doch jetzt tut sich eine der wahrscheinlich faszinierendsten und umfangreichsten Anwendungsmöglichkeiten für Laser und bestimmte andere Arten von Lichtquellen auf. Wissenschaftler haben bereits Nachrichtensysteme entwickelt, die mit Lichtstrahlen arbeiten. Es sind schon Prototypen in Betrieb, mit deren Hilfe Telefon- oder Fernsehsignale nicht durch elektrischen Strom in Drähten, sondern durch Licht in Glasfasern übertragen werden. Man erwartet, daß Anfang der 80er Jahre in der Telefontechnik eine großangelegte Umstellung auf optische Nachrichtenübertragung beginnen wird.

Wie ist es möglich, durch Licht Nachrichten zu übermitteln? Welche Vorzüge bietet diese Methode, und wie wird sie unseren Alltag beeinflussen? Wir werden jetzt erörtern, wie die optische Nachrichtentechnik entwickelt worden ist. Zuerst müssen wir kurz die physikalischen Eigenschaften des Lichts als solches in Betracht ziehen, da wir dann feststellen können, daß es in gewisser Hinsicht sehr stark den Wellen ähnelt, die in der Nachrichtentechnik bereits gang und gäbe sind.

Die Eigenschaften des Lichts

Dem schottischen Physiker James Clerk Maxwell gelang es 1864, die Gesetze der Elektrizität und des Magnetismus miteinander zu verbinden. Diese Verbindung ließ das Vorhandensein von Wellen verschiedener Art vermuten. Wie sich herausstellte, ist das Licht eine dieser Wellen, doch später entdeckte man noch andere, unsichtbare und damals unbekannte Wellen, die heute als Radiowellen, Radarwellen und Röntgenstrahlen bekannt sind.

Maxwells Theorie besagte, daß all die verschiedenen Arten von Wellen, einschließlich des Lichts, ähnliche Eigenschaften haben; sie alle bestehen aus elektrischen und magnetischen Kräften, die pulsieren oder schwingen. Eine Lichtwelle und eine Radiowelle beispielsweise unterscheiden sich nur durch die Häufigkeit oder „Frequenz“ der Schwingungen. In einer Lichtwelle schwingen diese Kräfte etwa 100 000 000mal schneller als in einer durchschnittlichen Radiowelle.

Ebenso, wie eine Radiowelle Ton- und Bildsignale für Hörfunk und Fernsehen übertragen kann, läßt sich eine Lichtwelle durch ähnliche Verfahren entsprechend beeinflussen, dasselbe zu bewirken. Licht hat — sofern es kohärent ist — aufgrund seiner hohen Frequenz einen großen Vorteil. Es kann viel mehr Informationen übertragen als eine Radiowelle. Die Hoffnung, diese Möglichkeit einmal ausschöpfen zu können, veranlaßte die Wissenschaftler kurz nach der Erfindung des Lasers, sich mit der optischen Nachrichtenübertragung zu befassen.

Die Übertragung des Lichts

Eines der ersten größeren Probleme bei der Entwicklung eines funktionierenden Systems bestand in der Übertragung des Lichts von der Quelle zu den Empfängern. Man fand bald heraus, daß es im Gegensatz zu den Radiowellen nicht zweckmäßig ist, einen Laserstrahl direkt durch die Atmosphäre zu schicken. Bei großen Entfernungen kann der Strahl durch Nebel, Regen, Wolken oder Schnee zerstreut oder blockiert werden, und selbst bei klarem Wetter kann er durch die unterschiedlichen Temperaturen in der Atmosphäre in eine verkehrte Richtung gelenkt werden. Obendrein wären präzise ausgerichtete Spiegel nötig, damit der Strahl um Ecken gelenkt und in Gebäude hinein- sowie aus Gebäuden herausgeleitet werden könnte.

Im Jahre 1966 schlugen die beiden britischen Ingenieure K. Kao und G. Hockham, die bei den Standard Telecommunications Laboratories in England beschäftigt waren, eine bessere Lösung des Problems vor. Schon Jahre vorher war bekannt, daß biegsame Glasfasern, die so dünn sind wie ein Menschenhaar, das Licht „leiten“ oder lenken könnten, ähnlich wie ein Draht elektrischen Strom leitet. Aber damals war das Glasmaterial der Fasern noch nicht gut genug. Es zerstreute und dämpfte das Licht so sehr, daß es bereits nach 3 m Faserlänge die Hälfte seiner Energie verloren hatte. K. Kao und G. Hockham meinten, daß die Fasern, sofern eine Verbesserung der Glasqualität gelänge, das Licht kilometerweit leiten könnten.

Angeregt durch diese Idee, bemühten sich die Corning Glass Works und die Bell Laboratories in den USA, die Nippon Sheet Glass Company in Japan und verschiedene Forschungsgemeinschaften in Großbritannien um eine Verbesserung der Glasfaserherstellung. Der erste Durchbruch gelang 1970, als die Firma Corning aus fast reinem Quarzglas eine neuartige, verlustarme Faser produzierte. Bald machten die anderen Forschungsgemeinschaften weitere Fortschritte, indem sie neue Glasarten und die Entwicklung neuer Methoden der Faserherstellung erforschten. Moderne Glasfasern können das Licht 1,6 km weit leiten, ohne daß mehr als die Hälfte der Energie verlorengeht; einige der besten gegenwärtig hergestellten Fasern schlucken auf dieser Entfernung nur ein Drittel der Lichtenergie.

Die Fasern bestehen aus Glas, das in einem Ofen erhitzt und dann ausgezogen wurde. Sie werden gleich auf eine Trommel gewickelt und können mehrere Kilometer lang sein. Man beschichtet sie mit Kunststoff, bündelt sie mit vielen, eventuell mehr als hundert anderen Fasern und versieht das Ganze mit einem Schutzmantel, so daß ein Glasfaserkabel entsteht. Solche Kabel, in denen jede Faser ein Kanal für sich ist, sind jetzt wesentlicher Bestandteil optischer Nachrichtensysteme.

Wie wird in einer Glasfaser das Licht geleitet? Der Vorgang beruht auf dem physikalischen Gesetz der „Totalreflexion“. Trifft in einer Glasschicht ein Lichtstrahl im steilen Winkel auf die Grenzfläche zu einem optisch weniger dichten Glas, dann wird ein Teil des Lichts durchgelassen und der Rest reflektiert. (Siehe Skizze.) Wenn der Winkel jedoch genügend flach ist, wird das gesamte Licht reflektiert, als ob die Grenzfläche ein Spiegel sei. In diesem Fall spricht man von „Totalreflexion“. Der Kern der Glasfasern ist mit einem solchen optisch weniger dichten Glas ummantelt. Im dünnen Faserkern ist der Winkel der Lichtstrahlen so flach, daß sie sich durch Hinundherreflektieren in der Faser fortpflanzen.

Neue Laser

Parallel zur Glasfaserforschung im vergangenen Jahrzehnt wurde auch die Entwicklung und Verbesserung der anderen Systembestandteile vorangetrieben. Die ersten Laser waren unhandlich und leistungsschwach. Man brauchte neue, langlebige Laser, die mit der Glasfasertechnik Schritt halten konnten. Obendrein war es notwendig, wirksame Methoden zu finden, um das Licht im Sender mit dem elektrischen Signal kodieren und im Empfänger dekodieren zu können.

Heute werden Laser hergestellt, die kleiner sind als ein Stecknadelkopf und aus Legierungen der Elemente Aluminium, Gallium und Arsen bestehen. Sie haben eine Lebensdauer von über einem Jahr. Diese Halbleiterlaser erzeugen, sobald sie von einem Modulationsstrom durchflossen werden, einen Lichtstrahl. Aus den gleichen Elementen, aber auf einfacherem Wege, lassen sich Leuchtdioden (LEDs) herstellen, wie sie häufig für elektronische Taschenrechner verwendet werden. Obwohl ihr Licht nicht kohärent ist, haben sie doch eine große Bedeutung für optische Nachrichtensysteme geringer Leistung.

In solchen Lasern und LEDs kann der Lichtstrahl mehrere-Millionen-mal in der Sekunde elektronisch ein- und ausgeschaltet werden. Im Empfänger wandelt ein besonderer Lichtdetektor, der teilweise aus Silicium besteht, den schnellen Strom von Lichtimpulsen wieder in elektrische Signale um.

Prototypen

Der jetzige Stand der Forschung ist erkennbar an der Tatsache, daß bereits mehrere optische Nachrichtensysteme versuchsweise in Betrieb sind und gegenwärtig in vielen Ländern — hauptsächlich in Großbritannien, den USA, Deutschland, Frankreich und Japan — noch fortschrittlichere Systeme getestet werden.

Seit März 1976 beispielsweise werden die Fernsehsignale für 34 000 Fernsehzuschauer im Gebiet von Hastings (England) durch ein 1,4 km langes Glasfaserkabel gesendet. Die elektrischen Signale werden von dem Lichtstrahl getragen, den eine Leuchtdiode erzeugt.

Die Bell Laboratories haben an ihrer Produktionsstätte in Atlanta (USA) einen Prototyp gründlichst getestet. Zu dem System gehörten ein Halbleiterlaser und zwei 0,6 km lange Glasfaserkabel, die aus je 144 Einzelfasern bestanden. Bei Ausnutzung aller Fasern konnte das Kabel mehr als 40 000 Gespräche gleichzeitig übertragen. Um die Bedingungen eines städtischen Telefonnetzes zu schaffen, verlegte man die Kabel in normalen Kabelkanälen. Bei der Installation brach keine einzige Faser.

In Deutschland hat man ein Glasfaserkabel für die Übertragung von Telefon- und Fernsehsignalen installiert. Die Anlage ist seit August 1976 jeden Tag 12 Stunden lang in Betrieb und arbeitet ohne Störungen.

Ähnliche Anlagen verwendete man schon ziemlich früh für Flugzeuge, für Schiffe und für Verbindungen zwischen Computereinheiten. Da diese neue Technologie und die zum Hintereinanderschalten von Glasfasern und Kabeln erforderlichen Fertigkeiten ständig verfeinert werden, erwartet man, daß dadurch in der Nachrichtentechnik viele Metallkabel ersetzt werden können.

Welche Vorteile verspricht die Verwendung von Licht und von Glasfaserkabeln? Und wie wird all das unseren Alltag beeinflussen?

Vorteile und Zukunft

Die Verwendung von Glasfasern in der Nachrichtentechnik bietet mehrere Vorteile gegenüber den herkömmlichen Kupferdrähten. Da sich in den Fasern kein Metall befindet, sind sie frei von Störungen durch elektrische Einflüsse. Die Fasern und Glasfaserkabel haben einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser — ein Faktor, der in städtischen Telefonnetzen mit beengten Kabelkanälen eine große Rolle spielt. Sie sind leichter als Kupferdrähte — ein großer Vorteil für Flugzeuge und Satelliten, die ja ein möglichst geringes Gewicht haben sollen. Und, was am wichtigsten ist, die Fasern lassen sich billig herstellen.

Die Glasfaserkabel wurden anfänglich als eine Möglichkeit gesehen, mit der Ausdehnung der bereits bestehenden Nachrichtennetze Schritt zu halten. Für den Durchschnittsbürger könnte das eine Senkung der Telefongebühren und eine Erleichterung des Telefonierens mit sich bringen.

Auf lange Sicht gesehen, bieten sich jedoch viel mehr Vorteile. Sie beruhen auf der riesigen Nachrichtenübertragungskapazität, die durch das kohärente Licht ermöglicht wird und noch nicht völlig ausgeschöpft ist. Um diese Reserven zu nutzen, entstand 1969 ein neues Sachgebiet, die sogenannte „integrierte Optik“. Sie befaßt sich mit extrem kleinen Lasern und winzigen integrierten Lichtschaltkreisen, die die optischen Bausteine miteinander verbinden.

Man hat sich bereits die faszinierendsten Kommunikationsmöglichkeiten ausgemalt. In Wohnungen und Büros, die Anschluß an Glasfaserkabel statt an Telefondrähte haben, könnte man Bildschirmgeräte aufstellen, durch die man Zugang zu Computerbibliotheken, Bildungseinrichtungen, Banken, medizinischen Institutionen und Warenhäusern hätte. Man könnte dann von der eigenen Wohnung aus die Computerbibliothek anwählen, sich ein Buch aussuchen und es auf dem Bildschirm lesen, oder man könnte eine Verbindung mit der Bank herstellen und sich seinen Kontoauszug zeigen lassen. Eine Hausfrau, die gerade das Haus nicht verlassen kann, könnte ihre Einkaufsliste auf dem Bildschirm zusammenstellen und sie per Fernschreiben an einen Supermarkt senden. Das Videophon würde es ermöglichen, den Gesprächspartner am anderen Ende der Leitung sogar zu sehen.

Somit liegt es auf der Hand, daß die enorme Nachrichtenkapazität des Lichts neue Zukunftsaussichten bietet. Wenn die optischen Nachrichtensysteme das Versuchsstadium verlassen und ihren Platz in der Praxis eingenommen haben, werden sich viele Vorteile ergeben. Während wir über all das nachsinnen, kommen uns die erstaunlichen und ausgeklügelten Eigenschaften des Lichts zum Bewußtsein. Der Erfindungsreichtum und der angeborene Wissensdurst des Menschen findet in der Schöpfung wirklich ein grenzenloses Betätigungsfeld (Ps. 145:16).

Der härteste Stoff

Der Diamant ist der härteste natürliche Stoff, den der Mensch kennt. Die meisten Diamanten — etwa 80 Prozent — sind als Schmuck unbrauchbar. Statt dessen verwendet man sie in der Industrie zum Schneiden, Schleifen und Bohren.