Erstaunliches Licht, das eine Zukunft hat

ERST vor zehn Jahren, im Jahre 1960, wurde eine völlig neue Art Licht zum erstenmal erzeugt. Dieses Licht war nie zuvor auf der Erde bekannt gewesen. Es ist das reinste, schärfste und stärkste Licht, das der Mensch kennt, und es leuchtet milliardenmal stärker als das Licht an der Oberfläche der Sonne. Es durchschneidet mit Leichtigkeit Diamant, den härtesten bekannten Stoff, und es kann jeden Stoff auf der Erde verdampfen.

Der Gedanke, dieses erstaunliche Licht zu erzeugen, wurde erstmalig in einem Bericht angeregt, den zwei Wissenschaftler, Arthur L. Schawlow und Charles H. Townes, 1958 veröffentlichten. Zwei Jahre später baute Theodore H. Maiman die erste Vorrichtung, mit der es gelang, kurze Stöße des Lichts, das man sich vorgestellt hatte, zu erzeugen. Das Gerät wird Laser genannt; dieses Wort bedeutet „light amplification by stimulated emission of radiation“ (Lichtverstärkung durch induzierte Emission von Strahlung). Ein Laser verstärkt nämlich Licht.

Als bekannt wurde, daß ein solches Gerät zur Lichtverstärkung gebaut werden konnte, erregte der Laser beispielloses Aufsehen. Die Möglichkeiten, die er bot, beflügelten die Vorstellungskraft der Menschen. Das Militär zum Beispiel sah darin eine Superwaffe — einen Todesstrahl. Andererseits sah man für den Laser großartige Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin und Industrie voraus.

Entwicklung und Verkauf

Anfangs gab es jedoch Enttäuschungen, als man sich bemühte, den Laser, bislang noch ein merkwürdiges Laborgerät, zu einem funktionierenden Gegenstand von praktischem Wert zu machen. Doch seit kurzem erfüllt sich, was man zuerst nur träumte, da stärkere und leistungsfähigere Laser entwickelt worden sind und man immer mehr nützliche Anwendungsgebiete dafür gefunden hat. Der Beweis für den Erfolg des Lasers ist darin zu sehen, daß jedes Jahr Tausende dieser Geräte verkauft werden.

Im Jahre 1965 wurden schätzungsweise 97 Millionen Dollar für Laser ausgegeben. Nahezu 60 Prozent dieses Betrages dienten der Forschung, aber der Rest war für Verkäufe von Lasern und Lasererzeugnissen. Jetzt schätzt man, daß sich das Geschäft mit Lasern jährlich auf 300 Millionen Dollar beläuft. Doch der Markt wächst so schnell, daß einige Fachleute voraussagen, dies werde der nächste Industriezweig sein, der — wahrscheinlich Anfang der 1970er Jahre — einen Umsatz von Milliarden von Dollar im Jahr haben werde. Laser werden jetzt schon für 200 Dollar verkauft, aber es gibt solche, die Zehntausende von Dollar kosten.

Allerdings sind sie noch im Anfangsstadium ihrer Entwicklung. Dr. Schawlow erklärte: „Laser sind immer noch sehr primitive Vorrichtungen. Sie sind noch ungefähr im Stadium der Kristallempfänger oder der Flugzeuge um das Jahr 1910.“ Wenn man aber bedenkt, was sie leisten, ist es verständlich, weshalb manche Industriezweige so viel Zeit und Ausgaben für ihre Entwicklung opfern.

Erstaunliche Energie

Die durch einen Laser verstärkte Energie des Lichts ist wirklich etwas Erstaunliches. Ein Beobachter beschrieb eine Kundgebung dieser Energie mit den Worten: „Der Techniker richtet [den Laser] auf ein Stück Stahl von der Stärke einer Vierteldollarmünze, wobei er eine Linse benutzt, um den Strahl auf einen feinen Punkt einzustellen. ... Man hört einen scharfen Knall. Diesmal sprüht ein Schauer weißglühender Funken von dem Stück Stahl auf. Es ist von diesem furchtbaren Lichtstoß ganz durchbohrt worden.“

Da immer stärkere und leistungsfähigere Laser entwickelt werden, kommt die Aussicht, daß einmal richtige „Todesstrahl“-Waffen hergestellt werden, der Wirklichkeit immer näher. Unter Wissenschaftlern wird tatsächlich ernsthaft die Möglichkeit diskutiert, daß in Zukunft Laser gegen feindliche Geschosse eingesetzt werden.

Aber obwohl einige Laser so eingestellt werden können, daß sie Licht liefern, das stark genug ist, um zu töten, sind andere von sehr geringem Wirkungsgrad, schwach genug, daß man seine Hand vor ihren Strahl halten kann, ohne Schaden zu nehmen. Doch selbst ein sehr schwacher Strahl hat eine phantastische Stärke. Dies zeigte sich vor nicht so langer Zeit bei einer Mondsonde der Surveyor-Serie.

Die Sonde hatte eine Fernsehkamera an Bord, die auf den Teil der Erde gerichtet war, der im Dunkel lag. Auf der Erde richtete man mehrere Laserstrahlen auf die etwa 380 000 Kilometer entfernte Mondsonde. Es handelte sich dabei um Strahlen von nur ein oder zwei Watt; sie waren also viel schwächer als eine gewöhnliche 60-Watt-Glühbirne. Dennoch fing die Fernsehkamera auf dem Mond die Laserstrahlen mit Leichtigkeit auf und sandte ein Bild dieser hellen Flecken zur Erde zurück. Erstaunlicherweise erschien der Laserstrahl von zwei Watt auf dem Mond heller als all die Hunderte von Millionen Watt der elektrischen Lichter in Bevölkerungszentren wie New York und Los Angeles!

Was ist das Geheimnis der Erzeugung eines so starken Lichtes? Was ist eigentlich ein Laser? Wie arbeitet er?

Inkohärentes und kohärentes Licht

Gewöhnliches sichtbares Licht zeichnet sich dadurch aus, daß es inkohärent ist, das heißt, seine Wellen sind ungeordnet. Sie sind von unterschiedlicher Länge und Frequenz und bewegen sich in abweichenden Richtungen. Durch die Verwendung von Reflektoren, wie bei einem Scheinwerfer, kann man bewirken, daß sich gewöhnliches Licht nur in einer Richtung bewegt. Doch besteht in diesem Lichtstrahl immer noch eine allgemeine Unordnung, und schließlich breitet er sich fächerförmig aus und zerstreut sich.

Der Laser dagegen ist eine Vorrichtung, die kohärentes Licht erzeugt, das heißt Licht von gleicher Wellenlänge, und diese Lichtwellen sind alle phasengleich; sie bewegen sich sozusagen im Gleichschritt. Man könnte dies mit einer Reihe Soldaten vergleichen, die im Gleichschritt eine Straße entlangmarschieren. Dann kommt eine weitere Reihe hinzu, und sie marschiert mit der ersten Reihe ebenfalls im Gleichschritt. Während sich diese Gruppe fortbewegt, schließt sich ihr eine weitere Reihe an, immer im Gleichschritt, bis die ursprüngliche Kolonne um ein Vielfaches verstärkt ist. Der Laser ist eine Vorrichtung, die Lichtwellen ebenso ordentlich sammelt und sie in derselben Phase, genau in derselben Richtung und mit derselben Zeiteinteilung ausstrahlt. So wird bewirkt, daß das Licht in einem phantastischen Ausmaß stärker oder heller wird.

Für den ersten Laserstrahl, den man im Jahre 1960 erzeugte, wurde synthetischer Rubin verwandt. Doch ist der Rubinlaser nur eine von vielen Laserarten. Er gehört zu den Festkörper-Lasern, das heißt, daß das Lasermaterial ein fester Stoff ist. Man hat auch verschiedene Gaslaser hergestellt, zum Beispiel Helium-Neon-Laser, Laser, die mit ionisiertem Argon arbeiten, und Kohlendioxyd-Laser. Der Strahl des Gaslasers ist im allgemeinen kohärenter als der Strahl des Festkörper-Lasers, und es ist auch etwas leichter, einen Gaslaser ständig arbeiten zu lassen.

Die von Lasern ausgesandte Strahlung ist in den meisten Fällen für das menschliche Auge sichtbar, da sie eine Wellenlänge hat, für die das Menschenauge empfindlich ist. Es gibt jedoch andere elektromagnetische Strahlungen, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind, zum Beispiel Radiowellen, infrarote Wellen, Mikrowellen, Röntgenstrahlen und kosmische Strahlen. Anfang der 1950er Jahre erfand Dr. Townes eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen, die alle phasengleich und um ein Vielfaches verstärkt waren. Diese Vorrichtung wird als Maser bezeichnet; das Wort Maser bedeutet „microwave amplification by stimulated emission of radiation“ (Mikrowellenverstärkung durch induzierte Emission von Strahlung). Aufgrund der Vermutung, daß sich der Maser für sichtbare elektromagnetische Strahlung anwenden lassen könnte, erfand man den Laser. Daher wird der Laser manchmal als optischer Maser bezeichnet.

Anwendung des Masers

Die sehr schwachen Mikrowellensignale, die aus dem Weltraum zur Erde kommen, müssen verstärkt werden, damit man ihre Quelle richtig untersuchen kann. Hierfür eignet sich der Maser ausgezeichnet. Der Maser verstärkt diese schwachen Signale, ohne irgendein „Geräusch“ oder eine andere unerwünschte Strahlung hinzuzufügen, wie das bei andersartigen Vorrichtungen zur Mikrowellenverstärkung der Fall ist. Der Maser wurde zum Beispiel benutzt, um die elektromagnetischen Wellen von 32 Millimeter Wellenlänge zu messen, die von dem Planeten Jupiter kommen. Dieser Aufschluß ermöglichte es den Astronomen, festzustellen, daß die Temperatur des Jupiters etwa 61 °C unter Null beträgt.

Der Maser eignet sich auch als Uhr. Eine gewöhnliche Uhr mißt die Zeit durch Bewegungen, die sich regelmäßig wiederholen, was durch ein Pendel oder eine Unruh erreicht wird. Die Schwingungen elektromagnetischer Wellen bei einem Maser sind sehr konstant und sie wiederholen sich regelmäßig, ohne sich je nach Temperatur oder Lage auf der Oberfläche der Erde zu verändern. Diese dem Maser eigenen Schwingungen sind so genau, daß eine Maseruhr in tausend Jahren nicht mehr als drei oder vier Sekunden vor- oder nachgeht.

Anwendungsmöglichkeiten für den Laser

Es ist jedoch der Laser oder optische Maser, der bei weitem am meisten Verwendungsmöglichkeiten findet. Man hat Hunderte von sinnreichen Anwendungsgebieten dafür in der Industrie, der Medizin, der militärischen Technik und der Raumforschung entdeckt.

Einige Verwendungsmöglichkeiten für den Laser sind auf die Tatsache zurückzuführen, daß sein Licht auf einen äußerst kleinen Punkt gelenkt werden kann. Wie man ein Brennglas gebrauchen kann, um die Strahlen der Sonne auf eine kleine Fläche zu richten und etwas zu entzünden, so kann man den Laser auf eine unendlich kleine Fläche konzentrieren.

Wegen seiner Intensität kann man winzige Löcher in äußerst harte Stoffe bohren. Der Western Electric Company ist es gelungen, einen Rubinlaser zu verwenden, um Diamant-Ziehformen zu bohren und neu zu eichen, die für die Herstellung äußerst feinen Kupferdrahtes verwendet werden. Einen Bohrvorgang, der früher mit den herkömmlichen Methoden viele Stunden oder sogar Tage erforderte, verrichtet der Laser jetzt in etwa zwei Minuten.

Der Laser wird auch benutzt, um kleine Materialmengen in sehr empfindlichen Instrumenten zu verdampfen, zum Beispiel von der Unruh in einer Uhr. Wenn man will, kann man das verdampfte Material mit einem Spektrographen analysieren, um seine chemischen Grundstoffe zu identifizieren. Die Jarrell-Ash Company in Waltham (Massachusetts) hat Dutzende von Lasern zu je 15 000 Dollar verkauft, die dazu bestimmt sind, bei der Herstellung spektrographischer Analysen von Gegenständen verwendet zu werden.

In einem Fall wurde ein Gemälde, das angeblich von einem Maler des sechzehnten Jahrhunderts stammte, durch diese Laservorrichtung, die als Mikrosonde bezeichnet wird, als eine Fälschung bloßgestellt. Man legte das Gemälde unter die Mikrosonde, und ein sorgfältig berechneter Lichtstoß aus dem Laser verdampfte eine unendlich kleine Menge Farbe, wobei er einen winzigen, nicht zu bemerkenden Krater in dem Gemälde hinterließ. Die Analyse der winzigen Dampfmenge mit einem Spektrographen wies eine Zinkspur nach, und Zinkfarben wurden vor 1820 nicht verwendet!

Der Laser findet auch weite Verwendung als Meßvorrichtung. Boeing und andere große Flugzeughersteller verwenden Lasermethoden für die verschiedensten Messungen und Eichungen. Kleine Punktschweißungen von Metallen werden ebenfalls mit Laserstrahlen gemacht.

Der Laser findet auch weite Anwendung auf medizinischem Gebiet. Insbesondere ist es gelungen, eine gelöste Netzhaut im hinteren Teil des Augapfels festzuschweißen. Das Licht durchdringt die transparente Hornhaut und andere Teile des Auges bis zur Netzhaut, wo es absorbiert wird und die Netzhaut mit dem dahinterliegenden Gewebe verschweißt. Auch Melanom, eine Geschwulst mit schwarzen Pigmenten, die Laserstrahlen absorbieren, ist erfolgreich behandelt worden.

Seine Zukunft

Die aufsehenerregendsten Anwendungen des Lasers müssen jedoch zweifellos noch erst verwirklicht werden. Dr. Schawlow sagt voraus, in zwanzig Jahren werde der Laser ein gewöhnliches Werkzeug sein, „im Büro, in der Fabrik und in der Wohnung, wo er zum Kartoffelschälen benutzt werden könnte“. Es soll schon bald ein Laser auf dem Markt erhältlich sein, der zum Auslöschen von Fehlern beim Maschinenschreiben verwendet werden wird.

Auch Zahnärzte denken daran, Laser zu verwenden, und zwar, um Karies zu beseitigen. Da die faule Stelle des Zahns dunkler ist, wird dort das Licht absorbiert und so die Zahnfäule verdampft, wobei der weiße Teil des Zahns unverändert bleibt.

Die Verwendung des Lasers auf dem Gebiet des Nachrichtenwesens ist besonders interessant. Theoretisch könnte ein einziger Laserstrahl den gesamten Text der Encyclopædia Britannica im Bruchteil einer Sekunde übermitteln, oder er könnte alle Rundfunk- und Fernsehsendungen sowie alle Telephongespräche der Welt gleichzeitig übertragen.

Andererseits machen Ingenieure am Technischen Institut von Massachusetts Versuche mit einem Laser, der Steine auflöst und zum Bohren von unterirdischen Tunneln für Autostraßen und Eisenbahnen verwendet werden soll. Und was erstaunlich ist: Laser verwirklichen die Idee der dreidimensionalen Photographie sowie die Idee, gewaltige Fernseh-Bildschirme von der Größe einer Wand zu verwenden. Dr. Townes erklärte in einem Interview:

„Wir müßten eines Tages Fernseh-Bildschirme von der Größe einer Kinoleinwand haben. ... Wenn man heute ein Bild aus einer Fernseh-Bildröhre auf einen sehr großen Schirm projiziert, würde es zu dunkel sein. Der Laserstrahl jedoch kann schnell über den Schirm geführt werden, und man erhält ein recht gutes Bild, das hell genug ist — und außerdem in Farbe, denn es gibt verschiedene Farben von Laserstrahlen. ... Ich glaube, dies wird leicht und praktisch genug sein. Es ist daher sehr wahrscheinlich, daß es früher Wirklichkeit wird als das dreidimensionale Fernsehen.“

Schon in den neun kurzen Jahren seit seiner Entstehung hat dieses erstaunliche neue Licht erstaunliche Anwendungsmöglichkeiten gefunden. Aber dies ist wohl erst der Anfang. Ja wirklich, es ist ein Licht, das eine Zukunft hat!