Ein Laser schneidet Metall, scannt in der Migros die Einkäufe, liest DVDs oder misst auf der Baustelle Distanzen. Im Unterschied zu anderen Lichtquellen lässt sich Laserlicht gut zu einem Strahl bündeln. Weitere Eigenschaften sieht man nicht von blossem Auge, sind aber ebenso wichtig: Das Laserlicht hat eine genau definierte Wellenlänge und die Phasenlage der Photonen sind identisch. Letzteres bedeutet, dass die Wellenberge und -täler der Lichtstrahlen an derselben Stelle sind – die Photonen bewegen sich synchron, wie Balletttänzer. Das ist eine Voraussetzung, um beispielsweise Distanzen zu messen: Der am anderen Ende reflektierte Lichtstrahl wird mit dem Licht der Quelle überlagert und anhand der Phasenverschiebung wird die Distanz berechnet.

Stimulierte Emission

Wie entsteht Licht? In einer Glühbirne erregt Strom die Elektronen im Glühfaden. Die Elektronen der Atome springen auf ein höheres Niveau – sie können sich nur auf bestimmten Schalen um den Atomkern niederlassen. Nach einer bestimmten Zeit fallen sie zufällig wieder ins tiefere Niveau und geben dabei die Energie in Form von Licht ab.

Ein Laser funktioniert ganz ähnlich. Nur dass hier so viel Energie hineingepumpt wird, dass sich praktisch alle Elektronen auf einem höheren Niveau bewegen, die Atome sind ständig angeregt. Neben den Elektronen, die zufällig ins tiefere Niveau fallen, gibt es nun auch stimulierte Lichtemission: Wenn ein Photon – ein einzelnes «Lichtteilchen» – auf ein angeregtes Elektron trifft, schubst es dieses hinunter. Es entsteht ein zweites Photon, das genau dieselben Eigenschaften besitzt wie das anregende: Beide bewegen sich in dieselbe Richtung in der gleichen Phasenlage.

Das Prinzip der angeregten Stimulation beschrieb Einstein bereits 1916, es dauerte aber bis 1928, bis es Rudolf Ladenburg im Labor nachwies. Der erste Laser wurde von Theodore Maiman am 16. Mai 1960 fertiggestellt. Die Methode «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» gab dem Laser seinen Namen.

(Bild: Christoph Kaminski)