mini|Verschiedenfarbige Laser Laser [], auch [] oder [] bezeichnet ein Gerät, mit dem Licht mit besonderen Eigenschaften, sogenanntes Laserlicht, erzeugt wird. Laser ist ein Akronym und steht für . Dabei wird ein Effekt der Quantenoptik ausgenutzt, der meistens Lasereffekt oder kurz ebenfalls Laser genannt wird.
Laserstrahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen. Vom Licht anderer Lichtquellen, wie beispielsweise einer Glühlampe, unterscheidet sie sich vor allem durch die Kombination von hoher Intensität, scharfer Bündelung des Strahls und – bei kontinuierlich emittierenden Lasern – einen oft sehr engen Frequenzbereich (monochromatisches Licht) und damit großer Kohärenzlänge (s. #Eigenschaften von Laserstrahlung).
Pulslaser geben extrem kurze und intensive Strahlpulse ab, die aber einen sehr weiten Frequenzbereich überdecken.
Laser haben zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in Technik und Forschung sowie im täglichen Leben, vom einfachen Lichtzeiger (z. B. Laserpointer bei Präsentationen) über Entfernungsmessgeräte, Schneid- und Schweißwerkzeuge, Auslesen von optischen Speichermedien wie CDs, DVDs und Blu-ray Discs, Nachrichtenübertragung bis hin zum Laserskalpell und anderen Geräten im medizinischen Alltag.
Laser gibt es für Strahlungen in verschiedenen spektralen Bereichen: Mikrowellen (Maser), Infrarotstrahlung (dann auch IRASER genannt), sichtbares Licht, Ultraviolettstrahlung und bis hin zu Röntgenstrahlung. Die besonderen Eigenschaften der Laserstrahlen entstehen durch ihre Erzeugung in Form einer stimulierten Emission. Der Laser arbeitet wie ein optischer Verstärker, typischerweise in resonanter Rückkopplung. Die dazu erforderliche Energie wird von einem Lasermedium (bspw. Kristall, Gas oder Flüssigkeit) bereitgestellt, das seinerseits durch äußere Energiezufuhr in einen Zustand mit Besetzungsinversion gebracht wird. Die resonante Rückkopplung entsteht in der Regel dadurch, dass das Lasermedium sich in einem elektromagnetischen Resonator für die Strahlung bestimmter Richtung und Wellenlänge befindet. Die induzierte Emission kann je nach Bauart zwischen den diskreten Energieniveaus atomarer Übergänge erfolgen oder, wie beim Freie-Elektronen-Laser, im kontinuierlichen Energiespektrum.mini|Demonstrationslaser: In der Mitte ist das Leuchten der Gasentladung zu sehen, die das Lasermedium anregt. Der Laserstrahl ist rechts als roter Punkt auf dem weißen Schirm zu erkennen.
Grundfunktionen Grundlegende Bestandteile Ein Laser besteht konzeptionell aus drei Bestandteilen: Aktives Medium (Lasermedium) Im aktiven Medium entstehen durch den optischen Übergang angeregter Atome oder Moleküle in einen energetisch günstigeren Zustand Photonen. Zentrale Bedingung für ein Lasermedium ist, dass sich eine Besetzungsinversion herstellen lässt. Das bedeutet, dass der obere Zustand des optischen Übergangs mit einer höheren Wahrscheinlichkeit besetzt ist als der untere. Ein solches Medium muss mindestens über drei Niveaus verfügen und kann gasförmig (z. B. CO2), flüssig (z. B. Farbstofflösungen) oder fest (z. B. Rubinkristall, Halbleitermaterial) sein. Pumpe Um eine Besetzungsinversion herbeizuführen, muss in das Lasermedium Energie hineingepumpt () werden. Damit dieser Pumpprozess nicht mit der stimulierten Emission konkurriert, muss er zunächst auf ein Niveau höherer Energie führen, von dem aus das Laserniveau durch spontane Übergänge bevölkert wird. Das Laserniveau muss so langlebig sein, dass eine hohe Besetzungszahl erreicht werden kann. Das Pumpen kann optisch (Einstrahlung von Licht) oder elektrisch (z. B. Gasentladung, elektrischer Strom bei Laserdioden) die Atome oder Moleküle des Lasermediums in angeregte Zustände bringen. Resonator Ein Resonator besteht zum Beispiel aus zwei parallelen Spiegeln, zwischen welchen sich das aktive Lasermedium befindet. Photonen, deren Propagation senkrecht zu den Spiegeln verläuft, verbleiben im Resonator und können daher mehrfach die Emission weiterer Photonen im aktiven Medium auslösen (stimulieren). Ein auf diese Weise entstehendes Photon entspricht in allen Quantenzahlen dem auslösenden Photon, insbesondere fliegt es parallel. Einer der Spiegel reflektiert nicht zu 100 %, so dass ein kleiner Teil dieser Photonen den Resonator verlassen kann. Diese Photonen bilden den Laserstrahl. Spontan emittierte Photonen, die den Resonator zum Beispiel quer verlassen, stimulieren dementsprechend eher keine weiteren Photonen. Diese Selektion des Resonators führt zur engen Abstrahlrichtung von Laserstrahlung. Manche Resonatoren sind auch wellenlängenselektiv (dichroitische Spiegel, Bragg-Gitter) und können dadurch die anschwingenden longitudinalen Moden weiter einschränken. In manchen hochverstärkenden Lasermedien ist ein Resonator zum Erzielen stimulierter Emission nicht zwingend erforderlich (siehe Superstrahler).
Funktionsweise Zunächst werden Atome im Lasermedium durch die eingespeiste Leistung von unteren Energieniveaus (z. B. Grundzustand) in energetisch höhere, d. h. angeregte Zustände versetzt. Dabei soll die mittlere Zerfallszeit der angeregten Zustände (in der Regel durch spontane Emission) möglichst lang sein. Somit bleibt die Pumpenergie dort „längere“ Zeit gespeichert, sodass eine Besetzungsinversion aufgebaut werden kann. Nun genügt eine Stimulierung eines Atoms durch ein Photon mit der auszustrahlenden Energie, damit das angeregte Atom wieder in seinen Grundzustand zurückfällt und dabei ein zweites, identisches Photon, also mit identischer Energie, Flugrichtung, Wellenlänge und Frequenz sowie identischem Phasenwinkel wie das stimulierende Photon aussendet. Beide Photonen bewegen sich in die gleiche Richtung. Durch diese Verdoppelung des stimulierenden Photons wirkt das Lasermedium wie ein Lichtverstärker. Sowohl das ursprüngliche wie das „frisch entstandene“ zweite Photon können dann andere angeregte Atome zur Ausstrahlung stimulieren, und es kommt zu einer lawinenartig anschwellenden stimulierten Emission von Photonen (auch bekannt als ).
Zu dieser Verstärkerwirkung kommt dann noch hinzu, dass sich die Anordnung in einem Resonator (s. u. bei Laserresonator) befindet, der durch seine Abmessungen auf die gewünschte Wellenlänge abgestimmt ist. So hat ein Photon bei mehrfachem Durchlaufen des Lasermediums größere Chancen, andere Atome zu stimulieren. Der Resonator ist im Prinzip aus zwei Spiegeln an den Enden der Anordnung gebildet. Durch diese Spiegel wird auch die Richtung des erzeugten Lichtstrahls endgültig festgelegt. Einer der beiden Spiegel ist teildurchlässig ausgeführt, so dass ein Teil des Lichts austreten und genutzt werden kann.
Geschichte mini|Theodore Maiman entwickelte 1960 in den USA den ersten Laser (Rubinlaser). Zwei Jahre später wurden die ersten halbleiterbasierten Laser entwickelt. Das erste sichtbare Licht aus einer Laserdiode wurde von Nick Holonyak entwickelt. Die Bauelemente waren die Vorreiter der Leuchtdiode (LED). Albert Einstein beschrieb bereits 1916 die stimulierte Emission als eine Umkehrung der Absorption. 1928 gelang Rudolf Ladenburg der experimentelle Nachweis. Danach wurde lange gerätselt, ob der Effekt zur Verstärkung des Lichtfeldes benutzt werden könnte, da vor der Verstärkung eine Besetzungsinversion erzeugt werden musste. Dies ist aber in einem stabilen Zweiniveausystem unmöglich, weil auch bei stärkster Anregung nur eine Gleichbesetzung erreicht werden kann. Zunächst wurde ein Dreiniveausystem in Betracht gezogen, und die Rechnungen ergaben die Möglichkeit für Strahlung im Mikrowellenbereich, 1954 realisiert im Maser von Charles Townes. Danach wurde unter anderem auch von Townes und Arthur Schawlow an der Übertragung des Maserprinzips auf kürzere Wellenlängen gearbeitet. Optisches Pumpen wurde Anfang der 1950er Jahre von Alfred Kastler eingeführt. In den 1950er Jahren entdeckten auch die sowjetischen Wissenschaftler und Nobelpreisträger Alexander Prochorow und Nikolai Bassow unabhängig das Maserprinzip und Optisches Pumpen und Prochorow schlug 1958 die Realisierung bei kürzeren Wellenlängen in einem Rubinlaser vor. Der erste Laser – ein Rubinlaser – wurde von Theodore Maiman am 16. Mai 1960 fertiggestellt.F. K. Kneubühl, M. W. Sigrist: Laser. 3. Auflage. Teubner, 1991, S. 4. Der erste Gaslaser, der Helium-Neon-Laser, wurde ebenfalls 1960 von Ali Javan, William Bennett und Donald Herriott entwickelt.
Geprägt wurde der Name „Laser“ Ende der 1950er Jahre durch Gordon Gould in Anlehnung an den Maser; Gould nutzte den Begriff erstmals 1957 in seinen Notizen. Frühe Veröffentlichungen nannten den Laser noch (optischer Maser).
Die weitere Entwicklung führte dann zunächst zu verschiedenen Gaslasern (Sauerstoff-Ionen-Laser, Stickstofflaser, Kohlendioxidlaser, Helium-Neon-Laser) und danach zu Farbstofflasern (das laseraktive Medium ist flüssig) durch Fritz Peter Schäfer und Peter Sorokin (1966). Eine Weiterentwicklung von Kristalltechnologien ermöglichte eine sehr starke Erweiterung des spektralen Nutzbereiches. Durchstimmbare Laser zum Anfahren einer bestimmten Wellenlänge und breitbandige Laser wie z. B. der Titan-Saphir-Laser läuteten in den 1980er Jahren die Ära der Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern von Piko- und Femtosekunden ein.
Die ersten Halbleiterlaser wurden in den 1960er Jahren entwickelt (Robert Hall 1962, Nick Holonyak 1962 im sichtbaren Spektralbereich, Nikolai Bassow), praktikabel aber erst mit der Entwicklung von Halbleiterlasern auf Basis von Heterostrukturen (Nobelpreis für Herbert Kroemer, Schores Alfjorow). In den späten 1980er Jahren ermöglichte die Halbleitertechnik immer langlebigere, hocheffektive Halbleiter-Laserdioden, die mit kleiner Leistung in CD- und DVD-Laufwerken oder in Glasfaser-Datennetzen eingesetzt werden und inzwischen nach und nach als Pumpquellen mit Leistungen bis in den kW-Bereich die wenig effektive Lampenanregung von Festkörperlasern ersetzen.
In den 1990er Jahren wurden neue Pumpgeometrien für hohe Laserleistungen verwirklicht, wie der Scheibenlaser und der Faserlaser. Letztere fanden zur Jahrtausendwende aufgrund der Verfügbarkeit von neuen Fertigungstechniken und Leistungen bis 20 kW zunehmend Anwendungen bei der Materialbearbeitung, bei der sie die bisher gebräuchlichen Typen (CO2-Laser, lampengepumpte Nd:YAG-Laser) teilweise ersetzen können. Ende der 1990er Jahre erreichten blaue und ultraviolette Laserdioden die Marktreife, siehe die Halbleiter mit breitem Bandabstand.
Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden erstmals nichtlineare Effekte ausgenutzt, um Attosekundenpulse im Röntgenbereich zu erzeugen, siehe die Attosekundenphysik. Damit ließen sich zeitliche Abläufe im Inneren eines Atoms verfolgen.
Inzwischen ist der Laser bzw. Lasertechnologie zu einem bedeutenden Instrument der Industrie, Medizin, Kommunikation, Wissenschaft und Unterhaltungselektronik geworden.
Physikalische Grundlagen Im aktiven Medium im Resonator befindet sich eine feste Anzahl Atome oder Moleküle mit jeweils mehreren, aber immer den gleichen, Energieniveaus. Zwei dieser Niveaus, bezeichnet als unteres Laserniveau und oberes Laserniveau (wobei ), bilden den Laserübergang. Der Laserübergang ist derjenige optische Übergang, dessen Energiedifferenz der Frequenz des Laserlichts entspricht. Die Differenz zwischen der Anzahl der Teilchen im unteren und oberen Laserniveau wird als „Inversion“ bezeichnet, obwohl sie nur im Fall die Umkehrung der thermischen Gleichgewichtsverteilung bedeutet. Sie ist maßgeblich für die Funktionsweise des Lasers.
Es existieren zwei grundlegende Bedingungen, die gleichzeitig erfüllt sein müssen, damit ein Laser funktioniert:
(Besetzungsinversion) – es müssen sich mehr Teilchen im oberen als im unteren Laserniveau befinden.