Wie funktionieren Laser eigentlich?

Laser sind Geräte, die Lichtstrahlen bündeln, indem sie deren Wellenformen und Frequenzen aufeinander abstimmen. Sie wurden in den 1960er-Jahren zunächst zur Verstärkung von Mikrowellen entwickelt. Moderne Lasertechnik kann Licht in nahezu jedem Bereich des elektromagnetischen Spektrums verstärken – ausgenommen sind lediglich Gammastrahlen.

Der Begriff steht für „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“ und beschreibt damit technisch, wie Laser funktionieren.

Streng genommen verstärken heutige Laser das Licht jedoch nicht einfach: Sie bringen die Wellen im Strahl dazu, zu schwingen und sich in einer sauberen, geordneten Struktur auszurichten.

Die Verstärkung durch Ordnung – fachsprachlich „Oszillation“ – zu ersetzen, wäre zwar treffender. Allerdings würde wohl kaum jemand seine Katze mit einem „VERLIERER“-Pointer unterhalten wollen.

Daher bleibt es beim Laser.

Wie Laser Licht gezielt formen

Im Zentrum jedes Lasers stehen Materialien, die bestimmten Bereichen des elektromagnetischen Spektrums beim Durchgang zusätzliche Energie verleihen. Dieser Energiezuwachs wird als „Verstärkung“ bezeichnet und kann die Leistung des Lichts wirksam erhöhen.

Dahinter steckt ein Vorgang namens stimulierte Emission. Die Atome des Materials erhalten einen Energieschub, etwa durch einen starken elektrischen Strom, wodurch ihre Elektronen in einen angeregten Zustand wechseln. Wird Licht durch dieses angeregte Material geleitet oder darin reflektiert, nehmen die Elektronen Energie auf und senden anschließend eigene Photonen aus.

Bei manchen Lasern besteht dieses Medium allerdings nicht aus einem atomaren Material, sondern lediglich aus einer Vielzahl schnell bewegter Elektronen.

Verstärkung und Kohärenz im Laser

Das Verstärkungsmedium befindet sich in einem Hohlraum, in dem das Licht fortlaufend hin und her reflektiert wird. Auf diese Weise nimmt die Lichtmenge, die das Medium durchquert, technisch gesehen zu. Genau darauf beruht die Lichtverstärkung durch stimulierte Emission.

Die Verstärkung ist zwar entscheidend, doch für Laser, mit denen wir Katzen beschäftigen, DVDs abspielen oder Sternenzerstörer abschießen, ist vor allem die Kohärenz ausschlaggebend.

Das Licht, das das Verstärkungsmedium durchläuft, erhält durchgehend dieselbe Farbe. Exakt dieselbe: identische Wellenlänge, gleiche Richtung und gleiche Polarisation – nur in größerer Menge.

Indem die Wellen wiederholt durch den optischen Hohlraum laufen, wird der Strahl gefiltert. Am Ende treten Wellen mit derselben Phase aus: Jedes Photon besitzt nicht nur die gleichen Eigenschaften, sondern schwingt auch im Takt mit allen anderen.

Der leistungsstärkste Laser der Welt

Der bislang leistungsstärkste konzipierte Laser steht in der Europäischen Infrastruktur für extremes Licht in Rumänien. Die dortigen Laser zählen zu den intensivsten weltweit und erzeugen extrem kurze Pulse aus Photonen, Protonen, Neutronen und Neutrinos mit außergewöhnlicher Energie.

Das Hochleistungslasersystem nutzt ein mit Titan dotiertes Saphir-Verstärkungsmedium und ist dafür ausgelegt, Laserpulse von bis zu 10 Petawatt zu erzeugen.

Ein Watt entspricht einem Joule Energie pro Sekunde. Zum Vergleich: Um einen Liter Wasser um ein Grad Celsius zu erwärmen, werden etwas mehr als 4.000 Joule benötigt.

Ein Petawatt entspricht einer Billiarde (10¹⁵) Joule je Sekunde. Der Puls endet zwar bereits nach 22 Femtosekunden (22 × 10⁻¹⁵ Sekunden), dennoch ist das eine beachtliche Energiemenge, die in einem winzigen Bruchteil eines Lidschlags konzentriert wird.

Chinas Station des extremen Lichts

Der Rekord könnte allerdings nicht lange bestehen bleiben. Chinas „Station des extremen Lichts“ könnte ihn in den kommenden Jahren mit neuer Technik übertreffen, die Laser mit 100 Petawatt erzeugen könnte. Ein derart intensiver Energieausbruch könnte das Vakuum dazu bringen, einen Teilchenschauer hervorzubringen – ein physikalisches Schauspiel, wie wir es zuvor noch nie gesehen haben.

Alle Erklärartikel werden bei ihrer Veröffentlichung von Faktenprüfern als korrekt und relevant eingestuft. Texte und Bilder können aufgrund redaktioneller Entscheidungen verändert, entfernt oder ergänzt werden, damit die Informationen aktuell bleiben.