Am 10. Dezember 2018 fand im Grand Hotel in Stockholm, Schweden, die offizielle Verleihung des Nobelpreises statt. Unter den zahlreichen Preisträgern waren drei Physiker, die wegweisende Beiträge zur Laserphysik leisteten: Arthur Ashkin, Gérard Mourou und Donna Strickland. Nach der Bekanntgabe des Nobelpreises entstand eine lebhafte Diskussion um Donna Strickland, da sie die bis dato dritte Frau in der Physik ist, die mit diesem Preis ausgezeichnet wurde. Über die Physik hinter der Auszeichnung wurde jedoch nur wenig im Detail gesagt.

Das Wort Laser ist Teil unseres Alltagsvokabulars. Viele von uns haben beispielsweise wahrscheinlich bereits einen Laserpointer in den Händen gehalten. Laser haben sich bereits in unserem Alltag mit verschiedenen Anwendungen etabliert, die über die Labore hinausgehen, in denen Wissenschaft und Entwicklung stattfinden. Die Geschichte des Lasers hat den Lauf der Menschheit entscheidend verändert. Vier Jahrzehnte vergingen von Albert Einsteins theoretischer Arbeit über die Verstärkung von Mikrowellen und Licht bis hin zum Maser (Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission), der von Charles Townes, Nicolay Basov und Alexandr Prokhorov entwickelt wurde, und schließlich der Herstellung des ersten funktionierenden Lasers durch Theodore Maiman 1960 im Forschungslabor von Hughes. Also, wie genau funktioniert ein Laser?

Das Funktionsprinzip eines Lasers

Das Wort Laser steht für "Light Amplification by Stimulated Emission Radiation" und wurde erstmals in den 1950er Jahren von Gordon Gould verwendet. Das physikalische Prinzip eines Lasers wird durch die Quantenmechanik erklärt. Wir werden hier versuchen, ein sehr grundlegendes und vereinfachtes Bild davon zu vermitteln. Stellen Sie sich dazu vor, dass ein Atom Elektronen hat, die in einem dreistöckigen Haus wohnen: Erdgeschoss, erster Stock und zweiter Stock. Wir schauen uns ein Elektron an, das bequem im Erdgeschoss sitzt. Das bedeutet, dass sich das Elektron im energetisch niedrigsten Zustand befindet. In der Natur ist der niedrigste Energiezustand der bevorzugte: Wir ziehen es eher vor, uns zu entspannen als herumzutollen - das Gleiche gilt für Elektronen. Dieses Elektron sitzt also bequem und bewegt sich nicht, es sei denn, es wird angeregt oder bekommt dafür Energie. Diese zusätzliche Energie kann zum Beispiel durch Licht gegeben werden.

Im Bild unten sitzt ein blaues Elektron im Erdgeschoss der Wohnung, das zusätzliche Energie aus dem violetten Licht erhält, das von einer "Lichtpumpe" kommt. (Beachten Sie, dass wir das Licht als Welle und Partikel gezeichnet haben, denn in einem klassischen Bild ist Licht eine Welle, aber in der Quantenmechanik besteht Licht auch aus Teilchen, den sogenannten Photonen.) Das Elektron empfängt so Energie und springt in den zweiten Stock. Dies ist ein Zustand mit höherer Energie, auch angeregter Zustand genannt. Dieser Prozess wird als Lichtabsorption bezeichnet. Das Elektron bleibt dann für eine gewisse Zeit hier (Entspannungszeit), kann aber auch in den ersten Stock und von dort zurück ins Erdgeschoss gelangen. Um das Elektron zu motivieren (oder zu stimulieren), sich nach unten in den ersten Stock zu bewegen, schicken wir ihm Licht mit genügend Energie. Dabei verliert das Elektron die Energie, die es benötigt, um sich nach unten zu bewegen, im Bild als grünes Licht dargestellt. Dieser Prozess wird als Lichtemission bezeichnet. Das ausgesandte Licht hat die gleiche Farbe (Energie) wie die, die den Elektron nach unten bewegt hat.

Jetzt haben wir also zwei grüne Lichtwellen statt einer, was bedeutet, dass wir die Lichtmenge, die aus dem aktiven Material kommt, erhöht haben. Gleichzeitig können diese beiden grünen Lichtwellen andere angeregte Elektronen im zweiten Stockwerk weiter anregen, hinunterzugehen und Licht zu emittieren, wie ein Dominoeffekt. Der gesamte Prozess wird dann mehrmals wiederholt: Die Lichtpumpe regt Elektronen an, sich vom Erdgeschoss in das zweite Stockwerk zu bewegen und diese werden von anderen stimuliert, zurück in das erste Stockwerk zu gehen und Licht zu emittieren.  Um das emittierte Licht zu verstärken, wird das aktive Material in einen Resonator aus zwei Spiegeln gesteckt, welche das emittierte Licht hin und her reflektieren lassen und so weitere Lichtemission stimulieren, während einer der Spiegel einen Teil des verstärkten Lichts herauskommen lässt.

Auf diese Weise erzeugt ein Laser Licht mit hoher Intensität und einer einzigen Farbe, das heißt einer Energie und einer Wellenlänge, genannt monochromatisches Licht. Die Farbe des Lichts hängt von dem von uns verwendeten aktiven Material ab: Gas, Festkörper, Halbleiter, usw.

Der Nobelpreis

Die drei Nobelpreisträger für Physik aus dem Jahr 2018 spielten eine zentrale Rolle bei der Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von Lasern. Arthur Ashkin erfand die optische Pinzette - er zeigte mit dem Strahlungsdruck des Lichts eines Lasers, dass solche optischen Finger in der Lage sind, Partikel, Atome, Viren und Bakterien zu greifen! Tatsächlich gelang es Ashkin 1987, lebende Bakterien mit diesen laserbasierten optischen Fingern zu fassen, und die Bakterien blieben unversehrt.

Das andere Duo der Nobelpreisträger, Gérard Mourou und Donna Strickland, ebnete den Weg zu den kürzesten und intensivsten Laserpulsen, die je von der Menschheit erzeugt wurden. Es war die Doktorarbeit von Strickland unter der Leitung ihres Doktorvaters Mourou, die das eigentliche Fundament der Technik legte, die sie als chirped laser pulsing bezeichnete, die fortan die Grundlage für die Realisierung vieler hochintensiver Laserstrahlen wurde.

Laser als Teil unseres täglichen Lebens

Laser unterscheiden sich in ihrer Größe, Leistung, Sendefrequenz und Anwendung. Die Familie der Laser kann in verschiedene Kategorien eingeteilt werden, basierend auf ihrem aktiven Medium, den Betriebswellenlängen und ihren Anwendungen. Bis heute sind Tausende von Laserarten bekannt, obwohl die meisten von ihnen nur für die spezialisierte wissenschaftliche und technische Forschung verwendet werden. Während der Erfolg von gasbasierten Lasern in der Medizin liegt, haben die Halbleiterlaser auf Basis von Galliumnitrid, Indium-Galliumnitrid, Galliumarsenid, Indiumphosphid und in jüngster Zeit Silizium und Germanium, die Führungsrolle in den Bereichen Telekommunikation, Holographie, Automobilindustrie und der breiten Palette von DVD- und Blu-ray-Disc-Playern übernommen. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich unsere Forschungsgruppe aktiv mit der Erforschung und Entwicklung zukünftiger abstimmbarer Halbleiterlaser auf der Basis von Nitriden.

Laser wurden schon immer dazu eingesetzt, unser Leben zu verbessern. Von der medizinischen Nutzung bis zur Telekommunikation, von der Unterhaltung bis hin zu Akademikern und wissenschaftlicher Spitzenforschung - Laser spielen nach wie vor eine wichtige Rolle. Laser als potenzielle Waffen in der Kriegsführung, einschließlich nuklearer Arsenale und Raketentechnologie, haben Anlass zur Sorge gegeben. Die Zukunftstechnologien der Quantenkommunikation und der Quantenteleportation, die beide auf Lasern basieren, würde den Menschen jedoch nur helfen, bisher unerforschte Bereiche zu erforschen. Doch mit großer Macht kommt eine größere Verantwortung. Ein verantwortungsvoller Umgang mit der erforschten Wissenschaft und Technologie wird uns also sicherlich zu größeren Höhen treiben und uns in eine Ära beispiellosen Friedens und Wohlstands führen. (Andrea Navarro-Quezada, Rajdeep Adhikari, 12.2.2019)