PM Physik
Das Licht der 1000 Möglichkeiten: Laser
Der Tag beginnt mit einem Missgeschick. Scheppernd zersplittert die Hartplastik-Kaffeekanne auf dem Küchenboden. Doch schon wenige Minuten später ist das Malheur auf wundersame Weise behoben: Die Hausfrau fertigt einfach ein neues Exemplar an – mithilfe eines Laserdruckers, der kein Papier auswirft, sondern dreidimensionale Gegenstände!
Dazu muss sie nur die Diskette, die sie beim Kauf der Kanne miterworben hat, in ihren 3-D-Kopierer stecken. Inhalt der Diskette: die digitalisierte Originalzeichnung der Ware. Der Rechner des Kopierers tastet sich durch die Datenmenge und überträgt die Werte auf die Steuereinheit des Lasers. Der richtet seinen Strahl auf eine kochende Masse im Kopierer – ein Gemisch aus flüssigem Kunststoff, Stärkepulver, Bindemittel und Klebstoffen. Wo der Laserstrahl auf die Mixtur trifft, härtet sie augenblicklich aus – so baut sich scheibchenweise ein originalgetreues Duplikat der zerbrochenen Plastikkanne auf.
Was wie Sciencefiction klingt, will die amerikanische Firma Z-Corporation schon in wenigen Jahren auf den Markt bringen – als neueste Anwendung der Lasertechnik, mit der man offenbar alles machen kann. Keine andere Erfindung ist so vielfältig einsetzbar wie dieses Wunderlicht. Laser können schreiben, lesen, messen, schneiden und sogar heilen. Das Wunderlicht vermag empfindliche Blutgefäße genauso elegant zu verschweißen wie dickes Autoblech. Der Laser zaubert Musik aus der CD und Spielfilme aus der DVD, und er »liest« ganze Bibliotheken aus den silbernen Speicherscheiben. Der Laser kann feinste Löcher durch härteste Diamanten bohren, dreidimensionale Bilder (Hologramme) auf Ausweise und Kreditkarten sowie farbige Bilder in den Himmel schreiben. Er entwickelt so viel Power, dass sein Licht den Mond erreicht – und so viel Feingefühl, dass er für Augenoperationen eingesetzt wird. Seit neu-estem übertragen Laserstrahlen auch digitale Daten mit Lichtgeschwindigkeit durch die Luft – pro Sekunde den Inhalt von rund 178000 Schreibmaschinenseiten. Bei dieser so genannten optischen Freiraumübertragung wird der Lichtstrahl über Spezialspiegel gelenkt, die auf dem Hausdach des Datensenders und -empfängers stehen. Man kann damit zwar nur maximal vier Kilometer überbrücken – aber das reicht Universitäten und Unternehmen oft aus, wenn sie mit nahe gelegenen Instituten bzw. Zweigstellen kommunizieren wollen.
Die Liste der Laserwunder scheint kein Ende zu kennen: Mit feinsten Lichtstrahlen wollen Wissenschaftler jetzt in die Welt des Allerkleinsten vordringen, um einzelne Atome so genau zu untersuchen, wie es bislang nicht möglich war. Und schier Unglaubliches wollen sie mit armdicken Laserstrahlen erreichen: Geplant ist, die Sonne auf der Erde nachzubauen, um die lang ersehnte Kernfusionsenergie zu gewinnen.
Als der Amerikaner Theodore Maiman 1960 den ersten Laser der Welt baute, hat er es wohl selbst am wenigsten für möglich gehalten, dass seine Erfindung einen derartigen Siegeszug um den Globus antreten würde. Experten auf der ganzen Welt entdecken ständig neue Anwendungsbereiche. Doch ob kleiner Laserscanner an der Supermarktkasse oder gigantische Laserkanonen für die Kernfusion – das Prinzip ist immer dasselbe: Der Laserstrahl entsteht, wenn man Atome mit Energie »voll pumpt«, bis sie Licht aussenden, das durch einen Spiegeltrick extrem verstärkt wird. Auf welche Weise man Energie in die Atome pumpen muss, hängt vom Material des Lasers ab: Festkörperlaser – etwa Rubine oder das Element Neodym – werden durch Blitzlicht aktiviert, Gaslaser durch elektrische Entladungen. Das Lasermaterial bestimmt dabei die Wellenlänge des Laserlichts. Rote Rubinlaser z. B. produzieren einen roten Laserstrahl. Laser, die mit dem Edelgas Argon arbeiten, erzeugen Strahlung im ultravioletten bzw. infraroten Bereich, die für das menschliche Auge nicht sichtbar ist.
Wenn ein Atom erst einmal voll gepumpt ist, kann es keine weitere Energie aufnehmen. Stößt es mit einem weiteren voll gepumpten Atom zusammen, müssen beide ihre gespeicherte Energie abgeben, und zwar in Form von Lichtwellen. Um die Zahl der Zusammenstöße zu erhöhen, also mehr Licht zu gewinnen, sind an zwei gegenüberliegenden Seiten des Lasers parallel stehende Spiegel angebracht: Die Lichtwellen, die zufällig senkrecht auf den einen der Spiegel treffen, werden zum anderen Spiegel reflektiert und laufen dann zwischen den beiden Spiegeln hin und her – sie können nicht nach außen entweichen. Auf ihrem Weg durch das Lasermaterial treffen die Lichtteilchen auf andere mit Energie voll gepumpte Atome und zwingen auch diese, ihre gespeicherte Energie als Licht abzugeben. So steigt die Zahl der »strahlenden« Atome immer mehr an – und damit die Lichtmenge. Dieser Vorgang hat dem Laser auch seinen Namen gegeben: Er ist nämlich die Abkürzung für die englische Bezeichnung »light amplification by stimulated emission of radiation«, was so viel bedeutet wie »Lichtverstärkung durch erzwungene Emission von Strahlung«.
Mit dem immer intensiver werdenden Lichtstrahl kann man aber noch nichts anfangen, solange er zwischen den Spiegeln gefangen ist. Deshalb ist einer der beiden Reflektoren halb durchlässig für Licht: Ein Teil des Lichts kann durch ihn nach außen entweichen – der Laserstrahl. Diese Strahlung nennt man kohärent: Die Lichtwellen sind alle von der gleichen Sorte, bilden also einen vollkommen einfarbigen Strahl, und alle Lichtteilchen schwingen im selben Takt.
Und: Die Wellen verlaufen vollkommen parallel. Diesen Unterschied zum normalen Licht erkennt man leicht, wenn man erst mit einer Taschenlampe und dann mit einem so genannten Laserpointer auf eine Hauswand leuchtet und sich dabei nach hinten bewegt: Der Lichtfleck der Taschenlampe wird umso größer, je weiter man sich von der Hauswand entfernt – der Leuchtpunkt des Lasers hingegen bleibt immer gleich groß. Weil Laserlicht nicht streut, kann man damit superpräzise arbeiten. Der Chirurg schneidet damit bei Hirnoperationen feinste Zellen aus dem Gewebe, und der futuristische Laser-Rasenmäher »Zero«, eine Modellstudie der Firma Wolff, rasiert damit die Grashalme millimetergenau ab.
Laserstrahlen lassen sich auch in jeder gewünschten Wellenlänge produzieren – man muss nur das Lasermaterial entsprechend auswählen. Das hat unter anderem zu einer Revolution in der Chemie geführt. Viele chemische Reaktionen kommen nämlich erst in Gang, wenn man Energie zuführt. Im Allgemeinen genügt einfaches Erhitzen, aber manche ausgeklügelten Reaktionen – wie sie in der organischen Chemie oft vorkommen – lassen sich dadurch gar nicht starten. Denn es gibt Moleküle, die nur durch ganz genau dosierte »Energiespritzen« dazu gebracht werden können, mit anderen Molekülen eine bestimmte Verbindung einzugehen – und eine solche Dosierung erlaubt nur der Laser. So haben Forscher z. B. ein Verfahren entwickelt, mit Laserhilfe Vinylchlorid zu erzeugen – die Ausgangssubstanz für den am häufigsten verwendeten Kunststoff: PVC (Polyvinylchlorid). Dazu schießen die Wissenschaftler einen Ultraviolett-Laserstrahl in eine Reaktionskammer, die mit dem Gas Dichlorethylen gefüllt ist. Wenn man nun – über einige Zwischenschritte – immer wieder ganze bestimmte Energiemengen zuführt, und zwar in einer so genauen Dosierung, wie es nur der Laser erlaubt, dann bildet sich auf relativ einfache Weise das Vinylchlorid. Bisher war die industrielle Herstellung dieses Stoffes komplizierter: Das Gas musste auf 500 Grad Celsius erhitzt werden, außerdem brauchte man zusätzlich einen Hilfsstoff (Katalysator), damit der Prozess abläuft. Die energiedosierende Lasermethode funktioniert bereits bei 300 Grad Celsius, und ein Katalysator ist nicht mehr nötig. Und das Beste daran: Die Ausbeute erhöht sich um 20 Prozent.
Aber es gelingt nicht nur, Laserlicht in ganz unterschiedlichen Wellenlängen zu erzeugen: Die Forscher können Laserstrahlen auch ultrakurz pulsieren lassen – und dadurch werden enorme Energien freigesetzt. Um dieses Ziel zu erreichen, braucht man ein anderes Lasermaterial als z. B. den Rubin, der nur einen kontinuierlichen Laserstrahl erzeugen kann: Puls-Laserstrahlen entstehen in einem Chrom-Colquiriit-Kristall oder einem Titan-Saphir-Kristall. Diese Materialien haben eine fabelhafte Eigenschaft: In ihren winzigen Hohlräumen wird Licht so rasant reflektiert, dass sich verschiedenste Frequenzen für einen ultrakurzen Augenblick synchronisieren – blitzartig entsteht ein Puls aus kohärentem Licht. Diese Pulse folgen im Abstand von wenigen Femtosekunden aufeinander. Wie kurz eine Femtosekunde ist, lässt sich zwar in Zahlen ausdrücken (10-15 Sekunden) – doch vorstellbar ist diese Zeitspanne kaum: Eine Femtosekunde verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zu 32 Millionen Jahren!
In den kurzen Lichtblitzen steckt eine ungeheure Energie. Selbst wenn die Leistung des einzelnen Pulses gering ist – in der Addition ergeben die Einzelenergien ein Power-Paket. Gepulstes Laserlicht kann dann während der Dauer eines Pulses (z. B. 100 Femtosekunden) eine Spitzenleistung von 30 Megawatt liefern – obwohl jeder einzelne Puls nur drei Mikrojoule Energie hat. Das wäre nicht einmal genug, um einen Wassertropfen um ein millionstel Grad Celsius zu erwärmen. Seit Mitte der 1960er Jahre haben ultrakurz gepulste Laser eine rasante Entwicklung durchgemacht. Vor allem in letzter Zeit wurden die Pulse immer kürzer, und eine neue Generation von vielseitigen kompakten Ultrakurzpuls-Lasern entstand – ein revolutionärer Fortschritt gegenüber den zimmergroßen, unzuverlässigen und energiehungrigen Vorgängern. Die heutigen Pulslaser werden immer vielseitiger und intensiver; ihre Strahlung erstreckt sich über den ganzen Bereich des elektromag-netischen Spektrums – von kurzwelliger Röntgenstrahlung bis zum langwelligen Infrarot. Und sie erreichen gewaltige Spitzenleistungen von einigen Petawatt: Das sind Milliarden Megawatt oder in Zahlen 1015 Watt.
Wenn die Power supergenau auf einen Punkt fokussiert wird, ist der Pulslaser ein ideales Werkzeug für mikroskopisch feines Schweißen, Schneiden und Bohren. In weniger als einer Minute verschweißt er 100 Nähte einer Autokarosserie – zehnmal so schnell und viel genauer als mit der herkömmlichen Elektro-schweißmethode. Weil insbesondere im Flugzeugbau höchste Präzision gefragt ist, ersetzt dort das Laserstrahlschweißen zunehmend den Einsatz von Nieten. Dadurch können – etwa beim Bau des kleinen Airbus A318 oder des Super-Airbus A380 – im Durchschnitt zehn Prozent an Gewicht und zwanzig Prozent der Arbeitskosten eingespart werden.
Man könnte meinen, die hohe Energie eines gepulsten Lasers müsste das bearbeitete Material enorm aufheizen – aber das ist nicht der Fall. Die Pulse schaffen die Energie derart schnell zum Brennpunkt, dass die Wärme nicht in das unbestrahlte Gebiet rundum abfließen kann: Bevor die Laserhitze Gelegenheit hat, sich auszubreiten, ist der Puls auch schon vorüber. Deshalb lassen sich sogar hochexplosive Stoffe mit dem Pulslaser schneiden: Das Material an der Schnittstelle verdampft, ohne dass der Rest in die Luft geht. Das macht es u. a. möglich, Sprengkörper zu entschärfen, ohne Menschenleben zu gefährden: Der Zündkopf wird einfach per Laser abgesägt.
Weil sich ihre Energie so ext-rem bündeln lässt, sind ultrakurz gepulste Laser auch ein Segen für Chirurgen. Sie können damit verstopfte Adern »aufbohren«, um den Blutfluss zu verbessern; sie können feinste Gefäße mit unvorstellbarer Präzision schneiden – und niemals verletzt der Pulslaser das umgebende Gewebe. Diese Fähigkeit hat ihn zum »Renner« in der Augenheilkunde gemacht. »Für dieses Jahr rechnen wir in Deutschland mit 60000 Eingriffen, im Jahr 2005 könnten es bereits 200000 sein«, prophezeit Prof. Dr. Michael Knorz, Spezialist für refraktive Chirurgie an der Universitäts-Augenklinik Mannheim.
Bei der Korrektur von Kurzsichtigkeit z. B. wird ein gepulster Laserstrahl auf eine bestimmte Ebene in der Hornhaut fokussiert. In dieser Ebene stanzt der Strahl nach und nach unzählige winzige Hohlräume nebeneinander in die Hornhaut. Anschließend lässt sich die oberste Schicht der Hornhaut zur Seite klappen; in der darunter liegenden, weitgehend verdampften Schicht werden ebenfalls per Laser die noch verbliebenen Hornhautreste entfernt. Dann wird die völlig intakte oberste Schicht wieder aufgelegt – die Abflachung, die dabei entsteht, korrigiert die Kurzsichtigkeit.
Als Wunderwaffe entpuppt sich der Pulslaser insbesondere in der Physik. Am spektakulärsten ist dort die Möglichkeit, mit Pulslasern die fundamentalsten Prozesse im Universum zu untersuchen: die Elektronenbewegungen zwischen Atomen, die gerade mal ein paar Hundert Femtosekunden dauern. Dazu isoliert man einzelne Atome und hält sie in einer so genannten Ionenfalle fest: Sie kann einzelne Ionen, also geladene Atome, über längere Zeit einschließen. Diese Ionen strahlt man nun mit Laserlicht an.
Angenommen, der Laserstrahl trifft von links auf die schwingenden Ionen, dann werden einige von ihnen dem Pulslaserstrahl entgegenlaufen – nämlich die, die gerade nach links schwingen. Dabei entsteht eine Resonanz, wie man sie auch in der Akustik kennt. Diese Resonanzenergie registrieren die Forscher mit empfindlichen Messgeräten, mit denen sie wie mit einer Kamera in die Ionenwolke schauen können. Je mehr Resonanzen erzeugt werden, umso genauer das »Bild«. Die Erkenntnisse, die man dabei gewinnt, fließen in den Bau raffinierter optoelektronischer Geräte ein, die im Computer- und Telekommunikationsbereich für superschnelle Signalverarbeitung sorgen sollen.
Und schon sind Forscher dabei, noch schnellere Laser zu bauen, die in Attosekunden (tausendstel Femtosekunden) pulsieren. Damit gelingt es sogar, superschnell ablaufende chemische Reaktionen in Zellen in Einzelschritten zu untersuchen. Das Ziel dieser Forschung: die Struktur von krankheitsauslösenden Molekülen aufzuklären, um mit dieser Kenntnis Medikamente für die gezielte Behandlung zu entwickeln. Eines Tages soll mit Laserpulsen auch die winzig kleine DNA »zersägt« und die Teile mithilfe von Moleküldesign zu einem neuartigen Gen zusammengesetzt werden – für die Produktion maßgeschneiderter pharmazeutischer Substanzen. Prinzipiell ist sogar möglich, mithilfe punktgenauer Laser bis in den Zellkern vorzudringen, um dort chirurgische Eingriffe vorzunehmen. So wird man wohl in Zukunft bestimmte Erbkrankheiten behandeln: indem man das kranke Gen »operiert«.
Aber Pulslaser eignen sich nicht nur dazu, Leben zu retten – ihre Energie macht sie auch als Waffe einsetzbar. Anfang 2001 erprobte das US-Militär eine Laserkanone gegen Satelliten – mit Erfolg: Die Elektronik des Trabanten wurde zerstört. Dabei ist allerdings auch klar geworden, dass die Militärstrategen ihre eigenen Waffen fürchten müssen: Trifft nämlich der Lichtimpuls sein Ziel oder irgendeinen anderen Gegenstand, dann entstehen starke Reflexionen in unkontrollierter Richtung. Diese Strahlen können noch genügend Energie enthalten, um optische Sensoren von anderen Satelliten zu zerstören – und das können eben auch die eigenen sein. Noch ist zwar nicht klar, wie diese Gefahr ausgeschaltet werden soll, aber geplant ist: Laserwaffen, mit denen feindliche Satelliten und Raketen vom Himmel geholt werden, sollen bis zum Jahr 2007 einsatzbereit sein. Dann könnten Laserstrahlen die Waffen der Zukunft werden.
Ein Jahr später dürfte ein friedlicheres und zugleich das wohl spannendste Laserprojekt aller Zeiten Wirklichkeit werden: der Nachbau der Sonne. Im Inneren unseres Zentralgestirns verschmelzen Wasserstoffkerne miteinander zu Helium; bei dieser Kernfusion entstehen gewaltige Mengen Energie – ein Ofen, der seit Jahrmilliarden mit 100 Millionen Grad Celsius brennt. Mittels Lasertechnik wollen die Wissenschaftler diesen Prozess auf der Erde simulieren. Wenn man diesen kosmischen Ofen nachbauen könnte, wären unsere Energieprobleme ein für allemal gelöst, denn billigen Wasserstoff als Brennmaterial gibt es in Hülle und Fülle.
Der Fusionstrick wurde erstmals in den 1980er Jahren ausprobiert – mit den damals stärksten Lasern der Welt. Das Experiment glückte; doch die riesige Laseranlage, die einen ganzen Gebäudekomplex füllt, verbrauchte weit mehr Energie, als sie erzeugte. Jetzt erhält die Idee, Energie aus der Kernfusion ökonomisch zu erzeugen, eine zweite Chance: Die National Ignition Facility (NIF) im kalifornischen Livermore baut eine Laseranlage von der Größe eines Footballstadions. Hier sollen im Jahr 2008 die Strahlen aus 192 Laserkanonen auf Wasserstoff-Kerne treffen – mit einer Gesamtleistung von 500 Billionen Watt. Dies entspricht dem Tausendfachen der elektrischen Gesamtkraftwerksleistung der USA – allerdings jeweils nur für vier milliardstel Sekunden. Zehnmal so viel Energie soll bei der Fusion freigesetzt werden: 5000 Billionen Watt.
Wenn dies gelingt, dann wird einer der größten Menschheitsträume in Erfüllung gehen – preiswerte Energie für alle Welt im Überfluss! »Dieser Laser«, schwärmt NIF-Direktor Michael Campbell, »wird die Kraft des Himmels entfesseln, um die Erde zu einem besseren Ort zu machen.«
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Das Licht der 1000 Möglichkeiten: LaserWir haben uns schon an ihn gewöhnt: Der feine Lichtstrahl »tippt« im Supermarkt die Preise in die Kasse ein, er liest Musik aus der CD und Spielfilme aus der DVD. Jetzt entwickeln die Forscher neuartige Laser von bisher unerreichter Genauigkeit, Schnelligkeit und Stärke. Sie liefern ein Wunderlicht, mit dem sich Menschheitsträume erfüllen lassen – der Blick ins Innerste der Materie. Und die Produktion von billiger Energie für alle Ewigkeit