Geschichte der Lasertechnologie

Am Anfang war: Albert Einstein. Der berühmte Physiker nahm das Phänomen Licht Anfang des 20. Jahrhunderts in seinen Forschungen genau unter die Lupe. Eine seiner Überlegungen drehte sich dabei um die Frage, ob Licht eventuell aus einzelnen „Energiepaketen“ (Quantenhypothese von Planck – war schon bekannt) bestehen könnte. Mit dem aus den Überlegungen entstandenen „Prinzip der stimulierten Emissionen“ legte Einstein den Grundstein für die Entwicklung einer Technik, die wir heute unter dem Begriff der Lasertechnologie kennen. Es dauerte jedoch noch mehr als 40 Jahre, bis es dem Physiker Charles Townes gelang, die theoretischen Grundlagen Einsteins in Sachen stimulierte Emissionen in die Praxis umzusetzen. Stimulierte Emission bedeutet, dass ein laseraktives Medium durch z.B. Bestrahlung mit Licht, kurzzeitig Energie speichern kann. Diese gespeicherte Energie lässt sich "erzwungen" abrufen – damit wird der Laserstrahl verstärkt.

Vom Maser zum Laser

Townes experimentierte in den späten 1940er Jahren mit Mikrowellen und konstruierte 1951 ein Gerät, mit dem sich diese Mikrowellen erzeugen und verstärken lassen konnten. In Anlehnung an Einsteins Theorie gab Townes seiner Entdeckung den Namen „Maser“ – eine Abkürzung für „Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Was bei Mikrowellen möglich war, also die Verstärkung durch stimulierte Emissionen von Strahlung, sollte doch auch für infrarotes oder herkömmliches Licht machbar sein, wobei bekannt war, dass mit sinkender Wellenlänge der Aufwand zum Bau eines Lasers stark steigt.

Es dauerte jedoch noch einige Jahre, bis aus dieser Annahme tatsächlich ein „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, kurz Laser, konstruiert wurde. Dabei war alles Material, was zum Bau eines Lasers notwendig ist, bekannt und vorhanden. Eine Blitzlampe, ein synthetisch hergestellter und mit Chrom dotierter Rubin und eine Hülse aus Metall formten schließlich im Jahre 1960 in den Händen des Physikers Theodore Maiman den ersten Laser. Die Fachwelt maß dieser Entdeckung jedoch nicht sofort große Beachtung bei. Ganz im Gegenteil: Als Maiman seine Erkenntnisse in einer Zeitschrift abdrucken lassen wollte, verweigerte die Redaktion die Annahme des Textes – zu irrelevant, zu sinnlos erschien die Möglichkeit, kohärente Lichtstrahlen mit hoher Farbreinheit bündeln zu können.

Erst im Verlauf der Jahre wurde deutlich, was mit Lasertechnik alles möglich ist. Heutzutage existieren die unterschiedlichsten Lasersysteme. Und alle beruhen auf dem Prinzip, welches Einstein 1917 vorhergesagt und Theodore Maiman 1960 experimentell nachgewiesen hatte.

Die Evolution des Lasers ab den 1960er Jahren

Als das Prinzip der Lasertechnologie bekannt war, ging es in Sachen Weiterentwicklung plötzlich Schlag auf Schlag. Bereits 1961 wird in den USA ein Rubinlaser in der Augenheilkunde eingesetzt. Insbesondere in der Medizin entwickelte sich die Erfindung schnell zum Alleskönner und läutete das Zeitalter der minimalinvasiven Chirurgie ein.

Ein Jahr später, 1962, wird ebenfalls in den USA der Halbleiterlaser erforscht. Dieser ultrakompakte Laser lässt sich im Dauerbetrieb verwenden und ist so gut in elektronische Bauteile zu integrieren.

Für eine hohe Strahlleistung und somit dem Einsatz in der Industrie wurde 1964 der erste CO2 Laser von Kumar Patel erfunden. Mit diesem Laser lassen sich seitdem Metalle schneiden, bohren, markieren oder schweißen. CO2 Laser sind aus der modernen Fertigung auch heute, mehr als 50 Jahre nach der Entdeckung, nicht mehr wegzudenken.

Ab 1966 wird es dann farbig in der Laserphysik. Mit der Entwicklung des Farbstofflasers wird die Wellenlänge von Laserlicht entlang einem Spektrum von fluoreszierenden Farbstoffen frei wählbar. Farbstofflaser arbeiten seitdem hauptsächlich in der Spektroskopie.

Der Laser wird zur Massenware

Die mittlerweile fast schon ausgestorbenen CDs und CD-ROMS sind ab 1972 möglich. Mit der Erfindung des Halbleiterlasers dringt die Laserphysik endgültig auf den Massenmarkt vor. Ab den 1980er Jahren wird die neue Technologie der Photonik, einer Kombination aus Laserdioden und Glasfaserübertragung, massentauglich und sorgt heute für hohe Datengeschwindigkeiten im Internet.

1998 schließlich werden Laserdioden kleiner als die Wellenlänge des Lichts, was sie aussenden. Nanolaser arbeiten seit diesem Zeitpunkt in der Verarbeitung von Daten, der Medizin oder in der optischen Signalübertragung.

Der Laser im heutigen Einsatz

Im medizinischen Bereich entfernen Laserstrahlen im Bereich der laserinduzierten Thermotherapie Tumorgewebe, dienen der Befestigung von sich ablösender Netzhaut oder dem Veröden von Krampfadern.

In der Kosmetik entfernen Laser alte, unerwünschte Tattoos oder dienen der dauerhaften Haarentfernung im Rahmen einer Epilation. Durch die hohe Wärmestrahlung und durch die Reaktionsprodukte der thermisch veränderten / zerstörten Farbpigmente ist hier ein Einsatz beim Entfernen von Tattoos risikobehaftet. Trotzdem hat sich das Verfahren weitestgehend als Maßstab etabliert.

Im Tunnelbau liefern Lasergeräte einen Richtstrahl, der den extrem präzisen Vortrieb der Tunnelbaumaschinen erst möglich macht.

Weitere Anwendungsbereiche von Lasergeräten

Auch in unserem Alltag ist der Laser allgegenwärtig. Mit dem Lichtstrahl werden CDs gebrannt, Papier bedruckt oder unsere Einkäufe an der Supermarktkasse gescannt. Laser unterstützen als Laserpointer Präsentationen oder dienen der einfachen und schnellen Entfernungsmessung. 

In der Industrie werden Metalle mittels Laser gebohrt, geschnitten, markiert oder geschweißt. Und das extrem präzise und selbst bei schwierigsten Geometrien, an denen herkömmliche Bearbeitungsverfahren wie Drehen oder Fräsen scheitern würden. 

In der Forschung werden Laser in der Massenspektrometrie zur Anregung höherer Atom- oder Molekülzustände genutzt oder dienen der Untersuchung der Atmosphäre. 

Noch in den Kinderschuhen steckt die Energieerzeugung durch Laser. Im Bereich der Kernfusion lassen sich mit Hochleistungslasern extrem dichte Plasmen hoher Teilchendichte und Temperaturen bis über 1 Million Grad erzeugen. Es ist jedoch noch nicht abzusehen, wann eine stabil ablaufende, exotherme Kernfusion etabliert werden kann.

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