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DIE ENTDECKUNG DES LASERS VON 1917-1960

1917 Albert Einstein und die stimulierte Emission zur Beschreibung der Hohlraumstrahlung

Die Geschichte des Lasers hat ihren Ursprung in der Einführung der induzierten bzw. stimulierten Emission zur Beschreibung der Hohlraumstrahlung. Der bekannte deutsche Physiker Albert Einstein lieferte damit im Jahr 1917, bereits vier Jahrzehnte vor der eigentlichen Entdeckung des Lasers, wichtige theoretische Grundlagen für die heutige Laser-Technik. Einstein erläutert in seinen Theorien, dass unter gewissen Voraussetzungen Materie durch Licht zur Abgabe einer identischen Strahlung gezwungen werden kann. Damit zählen Albert Einsteins Erkenntnisse zu den wichtigsten Voraussetzungen für die „Lichtverstärkung“ (LASER: engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung).

Einsteins Entdeckung der induzierten Emission:

Einstein entdeckte im Jahr 1917, dass beispielsweise durch Licht angeregte Atome zwei verschiedene Arten von Emission aufweisen. Parallel zur spontanen Emission von Lichtquanten existiert eine stimulierte Emission. Als spontane Emission bezeichnet Albert Einstein eine quantenmechanische Erscheinung, die ohne äußere Einwirkungen stattfindet und als Aussendung von Photonen beim Übergang zwischen verschiedenen Energiezuständen von Atomen und Molekülen aufgefasst werden kann. Insbesondere wechseln dabei die Atome stets von tieferen in höhere Zustände, da hier bezüglich der Absorption Lichtquanten aufgenommen werden. Die stimulierte Emission dagegen wird durch ein vorhandenes Strahlungsfeld induziert. Vergleicht man diesen Prozess mit der Absorption von Licht, die eine Proportionalität zwischen der Anzahl der Lichtquanten und Intensität eingestrahlter Welle besitzt, wächst die stimulierte Emission proportional zur Stärke des entsprechenden Strahlungsfeldes. Im Gegensatz zur spontanen Emission springen bei der stimulierten Emission aufgrund der Abgabe der induzierten Lichtquanten die Atome und Moleküle stets von höheren in tiefere Energiezustände. Nimmt man in der Theorie ein identisches Lichtfeld an, dann existiert eine ähnliche Wahrscheinlichkeit für beide Emissionsprozesse. In der Regel befinden sich jedoch mehr Atome in tieferen als in höheren Zuständen. Dies hat zur Folge, dass die Absorption überwiegt und die stimulierte Emission kaum bemerkbar ist. Daher gelten Einsteins Vermutungen aufgrund fehlender experimenteller Nachweise lediglich als theoretische Grundlage.

1928 Rudolf Ladenburg und Hans Kopfermann – Der erste experimentelle Nachweis stimulierter Emission

Etwa ein Jahrzehnt dauert es folglich, bis die Physiker Rudolf Ladenburg und Hans Kopfermann im Jahr 1928 erstmals erfolgreiche Beobachtungen und experimentelle Nachweise für die von Einstein postulierten stimulierten Emissionseffekte durchführen.

Erkenntnisse über die Grundvoraussetzungen stimulierter Emission

Eine grundlegende Voraussetzung für einen entsprechenden Nachweis ist eine notwendige Anregung des beobachteten Atomsystems. Diese Anregung soll dazu führen, dass anschließend mehr Atome in höheren als tieferen Energiezuständen liegen. Das Ziel ist letztendlich eine Inversion bezüglich der Besetzung der Atomzustände, damit die stimulierte Emission folglich die Absorption übertrifft und das angeregte Atomsystem sich zu einer Art Verstärker der eingestrahlten Lichtwellen entwickelt.

Trotz dieser Erkenntnis dauert es jedoch weitere Jahrzehnte bevor in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts erste Mittel und Wege erforscht werden, die Potenziale dieser Prozesse zur Verstärkung elektromagnetischer Strahlung zu nutzen.

1954 Die Entwicklung des Maser

Im Jahr 1954 erscheinen, basierend auf Einsteins Ideen, erste Publikationen über Methoden zur Verwirklichung des obigen Prinzips im Mikrowellenbereich. Im Zuge dieser Veröffentlichungen kommt es zur Einführung und Prägung des Begriffs Maser für die Verstärkung und Erzeug von Mikrowellen mithilfe einer induzierter Emission (MASER: engl. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation: Verstärkung von Mikrowellen durch simulierte Emission von Strahlung).

Die Entwicklung des Masers erfolgte damals unabhängig zur gleichen Zeit an zwei verschiedenen Orten. In der ehemaligen UdSSR forschten Nikolai Gennadijewitsch Bassow und Alexander Michailowitsch Prochorow am Lebedev-Institut in Moskau, während Arthur Leonard Schawlow und Charles Hard Townes in den USA an der Columbia Universität ähnliche Konzepte verfolgten. Schließlich gelang Townes im Jahre 1954 die erste Realisierung eines Masers, der in der Lage war, Mikrowellenstrahlen auszusenden.

Ungefähr 10 Jahre später belohnte die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften die Wissenschaftler Townes, Bassow und Prochorow dementsprechend „für grundlegende Arbeiten auf dem Gebiet der Quantenelektronik, die zur Konstruktion von Oszillatoren und Verstärkern auf der Basis des Maser-Laser-Prinzips führten“ im Jahre 1964 mit dem Nobelpreis für Physik.

1957 Der Begriff Laser

Nach der erfolgreichen Umsetzung der Masertechnik auf Mikrowellen war es nun an der Zeit, diese neuartige Errungenschaft auf weitere Medien zu übertragen. Beispielsweise forschte der US-Physiker Gordon Gould, um einen dem Maser ähnlichen Effekt auf das Licht übertragen zu können. Aufgrund seiner Forschungen und der Kreation des Begriffs Laser gilt G. Gould somit als einer der Erfinder dieser Technik (LASER: engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung). 

1958 Laser oder Optical Maser?

Natürlich beschäftigten sich auch A. Schawlow und C. Townes weiterhin mit der Masertechnik und konnten im Jahre 1958 einen theoretischen Nachweis für die Übertragung des Maser-Funktionsprinzips auf optische und infrarote Wellenlängen erbringen. Obwohl einige Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen, z.B. die Bell Laboratories in New Jersey, noch längere Zeit am Begriff Optical Maser festhielten, setzte sich letztendlich der Begriff Laser durch.

1960 Theodore Maiman und der erste funktionierende Laser

Nachdem die Funktionsprinzipien des Masers bereits in der Theorie auf das Medium des Lichtes übertragen wurden, war es an der Zeit, endlich den ersten lauffähigen Laser zu entwickeln. Im Jahre 1960 veröffentlichten parallel der US-Physiker Theodore Harold Maiman von den Hughes Research Laboratories in Kalifornien sowie Forscher der Bell Laboratories in New Jersey erstmals Berichte über eine stimulierte Lichtemission, sichtbar als ein roter Laserstrahl, der mithilfe eines mit einer Blitzlampe angeregten Rubinstabs erzeugt werden sollte. Maiman gelang schließlich am 16. Mai 1960 die Fertigstellung eines funktionierenden Prototyps. Dieser damals neuartige Lichtverstärker, basierend auf der induzierten Emission in einem Rubinkristall, ist somit der erste experimentelle Nachweis der Lichtverstärkung mithilfe eines Lasers.

Das Zeitalter des Lasers

Nachdem seit dem 16. Mai 1960 dank T. Maiman erstmals ein funktionsfähiger Laser existiert, beginnt 1960 das leuchtende Zeitalter des Lasers. Bereits Ende 1960 konzipiert der iranische Physiker Ali Javan in den Bell Laboratories den ersten Gaslaser. In diesem Sinne sind in den folgenden Jahrzehnten mehrere zehntausende Wissenschaftler und Ingenieure  an noch intensiveren Forschungsarbeiten und stetigen Weiterentwicklungen dieser Technologie beteiligt. Bis heute sind die obersten Ziele dieser Forschungen der Fortschritt hinsichtlich der Laserquellen und der einzigartigen Eigenschaften des Lasers sowie der Einsatz dieser Prinzipien in den verschiedensten Zweigen von Wissenschaft und Technik. Zentrale Punkte der Forschung bestehen daher aus der Entwicklung von Gaslasern (z.B. Sauerstoff-, Stickstoff-, CO2-, Helium-Neon-Laser), Farbstofflasern (z.B. Argon-, frequenzverdoppelte Nd:YAG-, Excimer-Laser) und Festkörperlasern (z.B. Al2O3-, YAG-, Nd:YAG-, YVO4-, Nd:YVO4-, Faserlaser) inklusive deren Einsatzmöglichkeiten in den verschiedensten Anwendungen.