Lasertechnik ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. In der Medizin wird sie etwa zum Abtragen der Hornhaut oder zum Fixieren der Netzhaut bei Augenoperationen genutzt, in der Industrie werden Bauteile mithilfe von Lasern ausgeschnitten und miteinander verschweißt. Auch beim Abspielen einer DVD, während des Einkaufs beim Scannen der Barcodes oder beim Vermessen verwinkelter Räume kommen Laser zum Einsatz. Und nicht zuletzt haben manche Raserinnen und Raser schon Knöllchen bezahlt, weil eine Lasermessung sie der Geschwindigkeitsüberschreitung überführte.
Einen Laser kennen die meisten als einen gebündelten Strahl einfarbigen Lichts. Was genau hat es damit auf sich? Ganz allgemein besteht Licht aus einem Strom von Photonen, den Lichtpaketen, die gleichzeitig Teilchen- und Welleneigenschaften haben. Ein Laser erzeugt eine spezielle Form von Licht: Es besteht aus Photonen gleicher Wellenlänge und Phase.
Solche Photonen entstehen zum Beispiel dadurch, dass in einem Atom ein Elektron Energie abgibt. Weil die möglichen Energiewerte durch die Art des Atoms festgelegt sind, haben so entstehende Photonen eine ganz bestimmte und für das Atom charakteristische Wellenlänge. Die Energieabgabe kann spontan, also zufällig, erfolgen. Sie kann aber auch ganz gezielt stimuliert werden – wiederum durch Photonen.
Kommt ein Photon an einem angeregten Atom vorbei und entspricht seine Energie genau dem zuvor beschriebenen Energiewert des Atoms, dann gibt das Atom sofort die Energie in Form eines passenden Zwillingsphotons ab: als Wellenpaket gleicher Richtung, Wellenlänge und Phase wie das einfallende Licht.
Atomare Quantenübergänge: (1) Ein Photon regt ein Elektron auf ein höheres Energieniveau an. (2) Das Elektron gibt seine Energie spontan in einem Photon ab. (3) Die Emission wird dadurch stimuliert, dass ein genau passendes Photon das Atom durchdringt. Das ausgesandte Photon hat die gleiche Frequenz, Phase und Richtung wie das eintreffende.
Genau dieses Phänomen nutzt man beim Laser aus: Man schickt Photonen durch ein Medium, das aus angeregten Atomen besteht, und stimuliert so die Emission von Zwillingsphotonen. Wirft man diese nun noch zwischen zwei Spiegeln hin und her, holen sie immer mehr Photonen aus dem Medium heraus. Diese Technologie nennt sich „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission“ oder auf Englisch „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, kurz LASER. Ein Teil des so erzeugten Lichts wird durch einen der Spiegel hinausgelassen: ein einfarbiger, schmal gebündelter Strahl von gleichphasigen Lichtpaketen, die außerdem noch in der gleichen Richtung schwingen, also die gleiche Polarisation aufweisen.
Prinzipaufbau eines Lasers: Zwischen zwei Spiegeln befindet sich ein aktives Medium, das von außen mit Energie versorgt wird. Einer der beiden Spiegel – der Auskoppelspiegel – ist ein wenig durchlässig. Dort gelangt das Laserlicht nach außen.
Technisch eröffnet das Laserlicht vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Allein schon die schmale Bündelung des Lichts macht es normalen Lampen weit überlegen, wenn es darum geht, präzise Richtungen zu bestimmen, wie etwa beim Tunnel- oder Brückenbau oder bei der Landvermessung. Mit rotierenden Lasern lassen sich gerade Linien auf beliebig geformte Flächen projizieren, was beim Haus- oder Bootsbau hilfreich ist. Und die hohe Energiemenge, die im Laserlicht steckt, macht die Laser zu präzisen Schneidewerkzeugen, sowohl in der Materialbearbeitung als auch in der Medizin. Noch spannender wird es, wenn man die Quanteneigenschaften des Laserlichts ausnutzt. Der Gleichtakt der Wellen – die Kohärenz – erlaubt es etwa, ultrakleine Unebenheiten in Oberflächen zu vermessen.
Eine Synchronisation wie die der Wellen in einem Laser kann auch bei Menschenmengen auftreten. Ein Beispiel ist der langanhaltende Applaus nach Theater- oder Musikaufführungen: Früher oder später wird aus dem rauschenden Beifall ein Gleichtakt. Dramatisch war das Schicksal der Millennium Bridge, einer Fußgängerbrücke in London, die schon zwei Tage nach ihrer Eröffnung wieder geschlossen werden musste. Sie begann nämlich, ganz leicht im Takt von etwa einer Sekunde zu schwingen, was fast genau der Dauer eines menschlichen Rechts-Links-Rechts-Schrittes entspricht. Die Menschen auf der Brücke passten ihren Schritt diesem Takt an, was die Auslenkung verstärkte – sozusagen eine Auslenkungsverstärkung durch stimulierte Schritte, ganz ähnlich dem Laser-Prinzip der Lichtverstärkung durch stimulierte Emission. Die Brücke wurde baulich verändert und eineinhalb Jahre später wieder eröffnet.
