Die Geschichte des Lasers

Der Wettlauf zum ersten Laser: Die historische Entwicklung eines strahlenden Erfolgsproduktes

Albert Einstein machte sich schon früh Gedanken über Lichtquanten, die später zur Entwicklung des Lasers führten.
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Eigentlich hätte der Laser schon deutlich früher erfunden werden können. Atome, die Lichtteilchen aufnehmen und wieder abgeben, optische Spiegel, die Licht gezielt hin- und herreflektieren: All die notwendigen Bausteine waren schon da – nur hatte niemand die Idee, sie richtig zusammenzufügen. Die Photonen-Kopiermaschine
Das Grundprinzip, das den Laser ermöglichte, hatte Albert Einstein schon 1916 vorhergesagt: Wird ein energetisch angeregtes Atom mit dem passenden Licht bestrahlt, kann es dazu gebracht werden, ein Lichtteilchen aufzunehmen und dafür zwei völlig identische Lichtteilchen auszusenden. Das nennt man stimulierten Emission. Die beiden identischen Photonen können den selben Effekt nun mit weiteren Atomen machen, sodass immer mehr völlig identische Lichtteilchen entstehen: Wie funktioniert's?
Nach dieser Grundidee funktionierte bereits der Maser, der simplere Vorläufer des Lasers, der nicht mit sichtbarem Licht, sondern mit Mikrowellen arbeitet. 1954 wurde der erste Maser von Charles Townes an der Columbia University gebaut. Damals sah man solche Apparate aber noch eher als Versuchsbox, in denen man atom- und molekülphysikalische Messungen durchführen konnte. An einen gebündelten Strahl, den man aus dem Apparat herausleuchten lassen könnte, dachte zunächst noch niemand.

Vom Maser zum Laser

Charles Townes - einer der Väter des Masers.
Quelle: [2]

Auch andere Forschergruppen arbeiteten an ähnlichen Ideen. 1955, ein Jahr nach den Amerikanern, stellten die russischen Forscher Alexander Prokhorov und Nikolay Basov in Moskau ihre Version des Masers fertig. Der Wettstreit in der Atomphysik wurde zu einer der vielen Nebenschauplätze des kalten Krieges.
Rasch war die Physik der Maser ein beliebtes Forschungsgebiet, doch Townes hatte bald schon ein neues Ziel: Statt der Mikrowellen, mit einer Wellenlänge von Zentimetern wolle er sichtbares Licht verwenden, dessen Wellenlänge nur einige hundert Nanometer beträgt. Eine völlig andere Wellenlänge erforderte auch ein völliges Überdenken der Konstruktion. Arthur Schawlow, Schwager und Kollege von Townes, hatte die Idee, das sichtbare Licht zwischen zwei verspiegelten Wänden einzusperren, sodass die Lichtwellen hin- und herreflektiert werden. Dabei können sie immer mehr Atome dazu anregen, weitere genau identische Lichtteilchen zu emittieren. Eine der Wände soll nicht vollständig verspiegelt sein, sodass dort ein sichtbarer Lichtstrahl austreten kann.

Erst die Theorie, dann das Experiment

Der erste Laser, gebaut von Theodore Maiman, 1960.
Quelle: [3]

Unabhängig von ihnen entwickelte der junge Student Gordon Gould, mit dem Townes ähnliche Probleme schon vorher diskutiert hatte, ganz ähnliche Ideen. Gould war der erste, der die Abkürzung "Laser" in sein Notizbuch schrieb (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) - damit gab er einer neuen Technologie ihren Namen.
Townes und Schawlow veröffentlichten ihre theoretischen Überlegungen zum Laser im Jahr 1958 und lösten damit einen weltweiten Wettlauf nach dem Bau des ersten Lasers aus. Gemeinsam mit Gould wollten sie die Sache selbst in die Hand nehmen, doch Gould wurde aus dem Projekt, das vom US-Verteidigungsministerium mitfinanziert wurde, aus politischen Gründen ausgeschlossen: Er hatte vorher kurz Kontakt mit einer marxistischen Gruppe gehabt.
Den Erfolg erntete kurze Zeit später ein anderer Amerikaner: Theodore Maiman von den Hughes Laboratories schaffte 1960 den Durchbruch. Aus einem Rubinkristall und einer hellen Blitzlichtlampe konstruierte er am 16. Mai 1960 den ersten funktionsfähigen Laser.

Weltruhm mit Startschwierigkeiten

Seinen bahnbrechenden Erfolg wollte Maiman im Journal "Physical Review Letters" publizieren, doch erstaunlicherweise lehnten die Herausgeber die Veröffentlichung ab. Sie waren der Meinung, einfach nur ein weiteres Paper über Detailfragen des Masers vor sich zu haben – die Tragweite von Maimans Arbeit erkannten sie nicht. So präsentierte Maiman seine Erfindung kurze Zeit später im Fachjournal "Nature", in der Ausgabe vom 6. August 1960. Sein Artikel ist kaum länger als eine halbe Seite, doch die wissenschaftlichen Auswirkungen dieser Arbeit waren enorm.
Zunächst aber war nicht einmal Maiman selbst vollständig von der Praxistauglichkeit seiner Erfindung überzeugt. Der Laser galt als "solution without a problem", eine technische Antwort auf eine Fragestellung, die erst gefunden werden musste. Kaum jemand hatte damals in Technologie und Wirtschaft diese neuartige Lichtquelle erwartet oder herbeigesehnt. Erst nach und nach erkannte man, welches Potenzial in den Lasern steckt.
Von der Telekommunikation über die Unterhaltungselektronik bis hin zu medizinischen Anwendungen: In einer breiten Palette unterschiedlichster Lebensbereiche hat sich der Laser heute etabliert. Damit gehört er sicher zu den größten Erfolgsgeschichten in der Physik des zwanzigsten Jahrhunderts.

Nobelpreisregen für Laser-Physiker

Theodore Maiman wurde bald zu einem hochangesehenen und vielfach ausgezeichneten Erfinder, doch die Nobelpreise erhielten andere: Mit Charles Townes, Nikolay Basov und Alexander Prokhorov erhielten 1961 drei der Väter des Masers gemeinsam den Nobelpreis. Nikolay Schawlow, der Kollege von Townes, der wesentliche Ideen für den Laser beigetragen hatte, und den Laser später für Spektroskopie verwendete, erhielt den Nobelpreis 1981 gemeinsam mit Nicolaas Bloembergen.
Dennis Gabor hatte schon in den Vierziger- und Fünfzigerjahren die Prinzipien der Holographie ergründet. In die Realität umgesetzt konnte sie erst in den Sechzigerjahren mithilfe des Lasers werden. 1971 bekam Gabor den Nobelpreis.
Auch danach wurden noch eine ganze Reihe von Nobelpreisen an Wissenschaftler vergeben, die sich mit dem Laser beschäftigten, etwa Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji und William Phillips für die Kühlung von Atomen durch Laserlicht (1997). Diese Technik verwendeten Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wieman für die Herstellung von Bose-Einstein-Kondensaten und bekamen den Nobelpreis 2001.
Zhores Alferov und Herbert Kroemer wurden für die Entwicklung von Halbleiterlasern ausgezeichnet (2000), und auch John Hall und Theodor Hänsch (Laser-Präzisionsspektroskopie, 2005) erhielten ihren Nobelpreis für Beiträge im Feld der Laserphysik.

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