Laser: Funktionsweise und der stärkste Laser der Welt

Laser sind Geräte, die Licht zu einem gebündelten Strahl konzentrieren, indem sie dessen Wellenformen und Frequenzen in Einklang bringen. Ursprünglich in den 1960er-Jahren entwickelt, um Mikrowellen zu verstärken, kann die heutige Lasertechnologie Licht in nahezu jedem Bereich des elektromagnetischen Spektrums erzeugen und hochfahren – mit Ausnahme von Gammastrahlung.

Was bedeutet LASER?

Der Begriff ist ein Akronym für „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“ – und beschreibt im technischen Sinn, nach welchem Prinzip ein Laser funktioniert.

Genauer betrachtet verstärken moderne Laser das Licht jedoch nicht einfach, sondern bringen die Wellen im Strahl in eine besonders geordnete Struktur. Statt „Verstärkung“ wäre „Ordnung“ – oder fachlich „Oszillation“ – näher an der Realität.

Nur: Mit einem «LOSER»-Laserpointer würde wohl kaum jemand seine Katze beschäftigen wollen.

Darum bleibt es bei: Laser.

Wie machen Laser Laser-Sachen?

Das Kernstück eines Lasers ist ein Medium, das bestimmten Anteilen des elektromagnetischen Spektrums beim Durchgang zusätzliche Energie mitgibt. Diese Energiezunahme wird als „Verstärkung“ bezeichnet und kann die Leistung des Lichts effektiv erhöhen.

Möglich wird das durch einen Vorgang namens stimulierte Emission. Dabei erhalten Atome im Medium einen Energieschub (etwa durch einen hohen elektrischen Strom), wodurch ihre Elektronen in einen angeregten Zustand gelangen. Fällt Licht in dieses angeregte Medium oder wird darin reflektiert, nehmen die Elektronen Energie auf und geben anschliessend eigene Photonen ab.

Bei manchen Lasern besteht dieses Medium nicht einmal aus einem atomaren Material – sondern lediglich aus vielen Elektronen, die mit hoher Geschwindigkeit umherflitzen.

Befindet sich das Ganze in einem Resonator, der das Licht wieder und wieder hin- und herwirft, erhöht das Verstärkungsmedium technisch gesehen die Lichtmenge, die durchläuft. Genau darauf beruht die „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission“.

Kohärenz: der Unterschied, der Laser besonders macht

So wichtig die Verstärkung ist: Das Merkmal, das aus diesem Prozess den Laser macht, den wir zum Katzenunterhalten, zum Abspielen von DVDs oder zum Abschiessen von Sternenzerstörern verwenden, heisst Kohärenz.

Nach dem Durchgang durch das Verstärkungsmedium hat das Licht am Ende dieselbe Farbe. Wirklich exakt dieselbe: identische Wellenlänge, gleiche Richtung, gleiche Polarisation – nur eben in grösserer Menge.

Wenn die Wellen anschliessend im optischen Resonator hin und her laufen, wirkt diese Anordnung wie ein Filter: Heraus kommen Wellen mit derselben Phase. Jedes Photon im Strahl teilt nicht nur die gleichen Eigenschaften, sondern schwingt auch zeitlich im Gleichschritt mit allen anderen.

Was ist der stärkste Laser, der je gebaut wurde?

Der leistungsstärkste Laser, der bislang entworfen wurde, steht in der Anlage der Europäischen Extremlicht-Infrastruktur in Rumänien. Dort gehören die Laser zu den intensivsten weltweit: Sie erzeugen extrem kurze Pulse, die Photonen, Protonen, Neutronen und Neutrinos mit enormer Energie umfassen.

Das Hochleistungs-Lasersystem verwendet als Verstärkungsmedium einen titan-dotierten Saphir, der dafür ausgelegt ist, Laserpulse von bis zu 10 Petawatt zu erzeugen.

Zur Einordnung: Ein Watt entspricht einem Joule Energie pro Sekunde. Als zusätzlicher Vergleich braucht es etwas mehr als 4’000 Joule, um 1 Liter Wasser um 1 Grad Celsius zu erwärmen.

Ein Petawatt sind eine Quadrillion (10^15) Joule pro Sekunde. Zugegeben: Der Puls ist nach 22 Femtosekunden (22 x 10^-15 Sekunden) bereits vorbei – dennoch ist das eine beachtliche Energiemenge, die in einen winzigen Bruchteil eines Augenblinzels gepresst wird.

Allerdings dürfte dieser Rekord nicht allzu lange bestehen. Chinas „Station des extremen Lichts“ könnte ihn in den kommenden Jahren mit neuer Technologie übertreffen, die Laser mit 100 Petawatt ermöglichen soll – eine Energiefreisetzung derart heftig, dass sie sogar den leeren Raum dazu bringen könnte, einen Partikelschauer zu erzeugen: eine physikalische Demonstration in einem Ausmass, wie wir es bisher noch nie gesehen haben.

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