Ein Tag schreibt Geschichte: Der erste Laser

Die Erfindung des Lasers war das Ergebnis eines Wettrennens, das am Vormittag des 16. Mai 1960 von einem Außenseiter gewonnen wurde. Der Sieger, Theodore Maiman, war damals, als er den ersten Laserstrahl der Welt abschoss, 32 Jahre alt und arbeitete als Physiker in den Hughes Research Laboratories in Malibu, Kalifornien. Dort war man aufgrund von pessimistischen Berichten über die Machbarkeit des Lasers von Maimans Arbeiten wenig überzeugt – so wenig, dass er schließlich mit Kündigung drohen musste. Damit gelang es dem Grundlagenforscher immerhin, seinen Vorgesetzten die lächerliche Summe von 50.000 Dollar und einen Assistenten abzupressen. Das sollte sich bezahlt machen: Sein Laser funktionierte.

Obwohl die Bedeutung dieses Ereignisses Anfang der Sechzigerjahre noch nicht ansatzweise begriffen wurde: Die erfolgreiche Bündelung des Lichts galt als „Lösung, die nach einem Problem sucht“.

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) ist hoch konzentriertes Licht. Licht entsteht, wenn ein energiereiches Atom seine Energie in Form von Lichtteilchen (Photonen) abgibt und dabei an Energie verliert. Das geschieht in einer Glühbirne spontan, zufällig und nicht zielgerichtet – so kann man mit einer Glühbirne auch nicht schneiden oder schießen, sondern nur ein Zimmer beleuchten. Im Laser hingegen geschieht dieses Aussenden von Photonen stimuliert, in einem engen Frequenzbereich und gebündelt. Man kann das vielleicht am besten mit dem Unterschied zwischen einer Gießkanne und einem auf scharf eingestellten Gartenschlauch veranschaulichen.

Die zentrale Leistung des Lasers, nämlich die Stimulation von Atomen, damit sie Licht entsenden, geht in seiner Theorie auf Albert Einstein zurück. Der hatte bereits 1916 berechnet, dass man Atome zu einer solchen Lichtemission in einer bestimmten Wellenlänge bringen kann, wenn sie vorher ein Photon mit dieser Wellenlänge aufgenommen haben. Das Licht, so sagte das Physikgenie voraus, strahlt dann in einer bestimmten Richtung und mit hoher Intensität.

Man experimentierte zunächst in einem Bereich des nicht sichtbaren Spektrums: Mikrowellen (Wellenlänge zwischen 30 Zentimetern und einem Millimeter) schienen für den Anfang leichter in den Griff zu bekommen. In den frühen Fünfzigerjahren konstruierte der Physiker Charles Townes (*1915) ein Gerät, mit dem er – Einsteins Vorhersagen bestätigend – Mikrowellen erzeugen und verstärken konnte, und nannte es Maser (M für Microwaves).

Der Wunsch, die gleiche Übung auch mit sichtbarem Licht zu schaffen (mit Wellenlängen im Nanometerbereich), mündete in Anstrengungen, die sowohl in den USA durch Townes und seinen Schwager Arthur Schalow (in den berühmten Bell Laboratories) wie auch in der Sowjetunion durch die beiden Physiker Alexander Prochorow und Nikolaj Bassow unternommen wurden. 1958 konnten Townes und Schalow mathematisch zeigen, dass das, was ihr Maser schaffte, auch mit sichtbarem Licht gehen müsste. Allerdings setzten sie bei ihren Versuchen auf Gas als Trägermedium, was nicht richtig funktionieren wollte.

Riecher für den Laser

Indes hatte Theodore Maiman den besseren Riecher. Er nahm einen Teil seiner 50.000 Dollar in die Hand, kaufte in einem Fotogeschäft eine Blitzlampe, bestellte bei einem Kristallhersteller einen an beiden Enden silberbeschichteten Rubinstab – also ein festes Trägermedium statt eines gasförmigen – und ließ in der Institutswerkstatt einen Edelstahlhohlzylinder bauen. Nachdem er alles zusammengesetzt hatte, schaltete er die Blitzlampe ein und stellte fest, dass der Rubin kurze rote Lichtimpulse in einem sehr schmalen Spektrum aussandte.

Das Blitzlicht hatte die Atome im Rubin in einen höheren Energiezustand versetzt; bei ihrem Übergang in einen niedrigeren Energiezustand sendeten sie eine Lichtwelle aus, die wiederum andere Atome stimulierte, in den Grundzustand überzugehen und (verstärktes) Licht auszusenden. So gelang der erste Laserstrahl.

Ein unterschätzter Außenseiter hatte in aller Stille die etablierten Physikergrößen ausgebremst. Wie wenig etabliert er war, zeigte sich kurz darauf, als er seine Ergebnisse bei den „Physical Review Letters“ einreichte und die Redaktion den Artikel glatt ablehnte. Erst „Nature“ veröffentlichte ihn – als Einspalter. Charles Townes sollte später sagen, das wäre der wichtigste Artikel gewesen, den das Magazin in fast 100 Jahren abgedruckt hatte.

1964 kam die logische Anerkennung in Form des Physik­-Nobelpreises – allerdings nicht für Maiman, sondern für Townes, Schalow und die beiden sowjetischen Forscher: Sie hatten schließlich die Grundlagen für den Laser geschaffen. Maiman hatte bloß mit seinem Geistesblitz die bessere Intuition für die Praxis. Immerhin: Als Maiman 2007 starb, schrieb Nobelpreisträger Townes in „Nature“ höchstpersönlich den Nachruf.

Es dauerte einige Zeit, bis sich die Erfindung bewährte. Militärs schwärmten zwar schon bald von gewaltigen Laserkanonen, mit denen sie feindliche Flugzeuge und Raketen abschießen würden. Das ist bis heute nicht möglich, vor allem wegen des zu hohen Energieaufwands.

Populär ist der Laser dafür im zivilen Bereich geworden: in der Metallindustrie zum Bohren und Schneiden, in der Medizin unter anderem als Skalpell. Laser wird an der Supermarktkassa zum Ablesen von Barcodes verwendet, in CD­ und DVD-Laufwerken, für Laserpointer und auf Clubbings für Lichteffekte. Eine vollständige Aufzählung aller Anwendungen würde Seiten füllen. Wir lernen: Lösungen finden alle irgendwann ihre Probleme.