Ein Wasserfall von Elektronen

Wie funktioniert ein Laser?

Das energiereiche Licht des Laserstrahls beruht auf einer fundamentalen Wechselwirkung von Energie, Licht und Materie. Die entscheidenden Ereignisse dafür finden im Mikrokosmos statt – in der Hülle der Atome. Wenn Laserlicht entsteht, passiert dort etwas, das schon Albert Einstein im Jahr 1917 theoretisch beschrieb: die stimulierte Emission von Photonen.

Wenn Elektronen fallen

Nach dem gängigen Atommodell bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Energieniveaus um den Kern. Je weiter außen ihre Bahn, desto energiereicher ist ihr Zustand. Durch Bestrahlung können Elektronen vorübergehend auf eine höhere Bahn gehoben werden, sie werden angeregt. Fallen sie dann wieder in ihren Grundzustand zurück, geben sie die überschüssige Energie als Photon ab – es entsteht Licht. Durch dieses natürliche Phänomen leuchten beispielsweise manche Kristalle im Dunkeln und die Federn einiger Papageien fluoreszieren im UV-Licht bunt.

Für einen Laserstrahl wäre diese spontane Emission von Photonen allerdings viel zu schwach, sie muss verstärkt werden. Erreicht wird dies durch das sogenannte Pumpen: Das Lasermedium wird durch elektrische Energie oder Lichtblitze so aufgeladen, dass eine große Menge angeregter Elektronen quasi auf Warteposition vorliegt. Je nach Lasertyp kann dieses Medium aus einem Kristall bestehen, aus einem Gas oder sogar einer Flüssigkeit. Wichtig ist nur, dass die Elektronenhülle des Materials diese „Vorratshaltung“ angeregter Elektronen ermöglicht.

Kettenreaktion im aktiven Medium

Wie bei einem Felsblock, der auf einer Kante balanciert, reicht nun ein winziger Anstoß, um alle angeregten Elektronen auf einmal zu destabilisieren. Im Laser reichen einige wenige Photonen aus, um diesen Anstoß zu liefern. Die Elektronen fallen dann alle gleichzeitig in ein niedrigeres Energieniveau zurück und setzen nun ihrerseits große Mengen an Photonen frei. Diese Kettenreaktion wird als stimulierte Emission bezeichnet. Das Akronym LASER bedeutet nichts anderes als „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ – Lichtverstärkung durch stimulierte Emission.

Eine simple, aber raffinierte Konstruktion sorgt dafür, dass die Kettenreaktion in Gang kommt und verstärkt die Emission des Lasers: Das Lasermedium liegt zwischen zwei Spiegeln, die die emittierten Photonen reflektieren und so weitere Elektronen zur Emission anregen. Der Laserstrahl entsteht, weil einer der beiden Spiegel am Laser halbdurchlässig ist. Durch ihn können die Photonen austreten. Weil alle Photonen dieses Strahls durch den gleichen Prozess entstanden sind, haben sie die gleiche Energie, Phase und Richtung.

Der erste, der das Prinzip des Lasers praktisch umsetzte, war der US-Physiker Theodore Maiman. Er nutzte einen Rubinkristall als Lasermedium, den er mit Blitzlicht-Lampen anregte. Damit schuf Maiman den ersten Festkörper-Laser – stieß damit aber zunächst auf wenig Begeisterung bei Fachkollegen: Als er die Beschreibung seiner Erfindung beim renommierten Fachmagazin „Physical Review Letters“ einreichte, lehnten die Gutachter sein Manuskript ab. Erst bei der „Nature“ hatte Maiman mehr Glück. Als sein Fachartikel im August 1960 erschien, war dies der Beginn einer neuen Ära – der Siegeszug des Laser war nicht mehr aufzuhalten.

Laserdioden – die Zwerge

Ein Sonderfall sind Halbleiter- oder Diodenlaser. Sie funktionieren zwar nach dem gleichen Prinzip der stimulierten Emission, bei ihnen bewegen sich die Elektronen aber frei im Kristall eines Halbleiters. Dieser besteht aus zwei Schichten, einer mit Elektronenmangel, einer mit Überschuss. Legt man nun eine Spannung an, wandern die Elektronen zu einer Grenzschicht und füllen dort die „Löcher“ in den Elektronenhüllen der Atome auf. Die dabei abgegebenen Photonen werden wie bei einem normalen Laser durch Spiegel mehrfach reflektiert und treten dann als Laserstrahl aus.

Der große Vorteil solcher Laserdioden ist ihre geringe Größe und ihr geringer Preis. Durch sie wurden Allerwelttechnologien wie Laserpointer, Laserdrucker, CD-Player, Blu-Ray-Player oder die Scannerkasse im Supermarkt erst möglich. Auch bei der optischen Datenübertragung in Glasfaserkabeln werden meist Laserdioden eingesetzt.

Metronom und Super-Kamera

Mit Laserlicht in den Mikrokosmos

Wenn es um den Vorstoß in die Welt der Atome und Moleküle geht, sind Laser heute unverzichtbar. Bestrahlt man Materialien mit Laserlicht, gibt der spektrale „Fingerabdruck“ der Elemente und Verbindungen Aufschluss über die Zusammensetzung einer Probe. Laserstrahlen dienen aber auch als Pinzetten zur Manipulation von Atomen, zur extremen Kühlung ganzer Teilchenwolken oder als Zeitgeber im Mikrokosmos.

Das Laser-Metronom

Das genaueste Metronom der Welt ist kein schwingendes Pendel oder elektronisches Gerät – es ist ein Laser. Dieser hält den Takt auf zehn Attosekunden genau – das entspricht zehn trillionstel Sekunden. Dieser ultraschnelle Takt wird benötigt, wenn man molekulare Prozesse aufzeichnen will. Der Schlüssel zum Laser-Metronom sind die Photonen, die von den beiden Spiegeln im Lasermedium hin und her reflektiert werden.

Weil die Geschwindigkeit der Lichtteilchen dabei immer gleich bleibt, hat dieses Ping-Pong einen festen Takt. An einem Ende des Lasers treten bei jedem „Ping“ Photonen aus – die so erzeugten Laserpulse bilden quasi das Ticken des Laser-Metronoms. Wie präzise diese Pulsfolgen sind, haben Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) im Jahr 2012 erstmals ermittelt. Dafür ließen sie einfach zwei solcher hochpräzisen Lasertaktgeber im Gleichtakt laufen und verglichen ihre Pulse.

Genau bis in die Attosekunde

Das Ergebnis: Die im Attosekundenbereich tickenden Laser-Metronome liefen über immerhin tausend Pulse hinweg synchron. Das erscheint zwar auf den ersten Blick nicht lang, ist aber bei so schnellen Pulsen absoluter Rekord. Denn Atomuhren halten den Takt zwar erheblich länger, sie ticken dafür aber wesentlich langsamer.

Eingesetzt wird das Laser-Metronom unter anderem, um ultraschnelle und extrem kleine Abläufe in der Welt der Moleküle und Atome aufzuzeichnen. Der Takt eines optischen Lasers hilft hier dabei, jeweils rechtzeitig den Auslöser für das nächste Bild zu drücken. Die eigentliche Aufnahme macht dann ein energiereicher Röntgenlaser.

Schnappschüsse per Röntgenlaser

Mit Hilfe eines solchen Röntgenlasers gelang es Forschern Anfang 2015, den „heiligen Gral“ der Chemie zu knacken: Zum ersten Mal konnten sie Atome genau in dem Moment beobachten, in dem sie eine chemische Bindung eingehen. Dieser für die Chemie fundamentale Prozess dauert nur Sekundenbruchteile. Er galt daher bisher als viel zu flüchtig, um jemals direkt eingefangen zu werden.

Doch mit Hilfe zweier Laser gelang den Forschern um Anders Nilsson von der Universität Stockholm das scheinbar Unmögliche. Mit einem optischen Laser heizten sie Kohlenstoffmonoxid (CO) und Sauerstoffatome auf einer Oberfläche zunächst so stark auf, dass diese immer stärker vibrierten. Irgendwann war der Punkt erreicht, an dem das CO mit einem benachbarten Sauerstoffatom eine Bindung einging und zu Kohlendioxid (CO2) reagierte.

Diesen Moment fingen die Forscher mit ultrakurzen Pulsen eines Röntgenlasers ein. Die dabei entstehenden spektralen Schnappschüsse dieser „Laser-Kamera“ verrieten, wo sich die einzelnen Atome genau befanden und wie sich ihre Elektronenhülle im Moment der Bindung veränderte.

Röntgenlaser liefern aber auch Einblicke in die Struktur von Biomolekülen oder unterkühltem Wasser, erstellten erstmals ein Gruppenbild freier Moleküle und reproduzieren mit ihrer enormen Energie die extremen Bedingungen, wie sie im Inneren von großen Gasplaneten herrschen. Anfang 2020 gelang es Forschern zudem, den ultraschnellen Zerfall von Wassermolekülen einzufangen.

Laser als Zollstock

Wie man mit Licht messen kann

Weil die Lichtwellen im Laserstrahl alle im gleichen Takt schwingen und extrem gerichtet sind, eignen sie sich besonders gut dafür, Entfernungen genau zu messen. Kein Wunder also, dass Laser-Messgeräte nicht nur im Baumarkt erhältlich sind oder bei Vermessungstechnikern eingesetzt werden. Längst sitzen die unsichtbaren Lineale im Auto, helfen beim Aufspüren verborgener Ruinen oder dienen dazu, die rätselhaftesten Wellen des Universums zu detektieren.

Das Prinzip der Entfernungsmessung per Laser ist eigentlich simpel: Das Gerät sendet kurze Laserpulse aus, die an potenziellen Hindernissen reflektiert werden. Über die Zeit, die das Licht braucht, um wieder beim Sensor anzukommen, ermittelt ein Computer den Abstand. Die Dämpfung oder Phasenverschiebung der Laserwellen liefern zusätzliche Informationen.

Ruinen und schwebende Gase

Dieses Messprinzip mit Laserstrahlen wird auch bei der Kartierung per LIDAR (Light Detection and Ranging) genutzt. Durch dieses Abtasten des Untergrunds per Infrarot- oder UV-Laserlicht haben Archäologen beispielsweise alte Römerstraßen in England aufgespürt oder auf der Halbinsel Yucatan tausende vom Urwald überdeckte Bauwerke der Maya entdeckt. 2013 stellten Forscher mit Hilfe von LIDAR-Messungen fest, dass die Tempelstadt Angkor Wat in Kambodscha einst Teil einer gewaltigen Megacity war – einer Stadt, die sich vor knapp tausend Jahren über mindestens 370 Quadratkilometer erstreckte.

LIDAR kann aber auch dazu eingesetzt werden, um Gase und Schwebteilchen in der Atmosphäre zu messen. So diente ein LIDAR im Frühjahr 2010 dazu, um die Dichte der Vulkanasche im deutschen Luftraum nach dem Ausbruch des Eyjafjallajökull zu ermitteln. Ein neuer, mit einem Laserinstrument bestückter Satellit kann künftig aber auch die genaue Methankonzentration in der Lufthülle messen – und soll dieses potente Treibhausgas kartieren.

Raumzeit-Wellen auf der Spur

Weniger um Geschwindigkeit, als vielmehr um Genauigkeit geht es bei den Laser-Instrumenten, die die weitreichendsten Wellen unseres Universums vermessen – die Gravitationswellen. Die Existenz dieser Rippel in der Raumzeit sagte schon vor genau 100 Jahren Albert Einstein voraus. Seiner Theorie nach entstehen sie immer dann, wenn sehr große Massen – wie beispielsweise Sterne oder schwarze Löcher – plötzlich in Bewegung geraten, kollidieren oder anderweitig ihre Beschleunigung ändern.

Nachweisen lassen sich die Gravitationswellen nur indirekt – über ihre Wirkung auf Materie. Treffen sie beispielsweise auf die Erde, wird der Untergrund um ein winziges Bisschen gestaucht und gedehnt. Und hier kommt wieder das Laserlicht ins Spiel. Denn in Gravitationswellen-Detektoren wie den beiden LIGO-Anlagen in den USA oder Virog in Italien dienen die kohärenten Strahlen dazu, diese minimalen Effekte aufzuspüren.

Verräterische Muster

Dafür wird ein Laserstrahl durch einen halbdurchlässigen Spiegel in zwei Teilstrahlen geteilt. Das Licht in ihnen schwingt exakt in der gleichen Phase und Frequenz. Diese Strahlen durchlaufen nun zwei mehrere Kilometer lange und senkrecht zueinander stehende Tunnel und werden an ihrem Ende per Spiegel zurückgeworfen. Das ganze System ist so kalibriert, dass beide auch nach ihrer Rückkehr in gleicher Phase sind.

Läuft nun aber eine Gravitationswelle durch den Detektor, wird ein Arm des Interferometers ein wenig gestreckt, während gleichzeitig der andere ein wenig gestaucht wird. Dadurch verschieben sich die Phasen der Laserstrahlen gegeneinander. Aus dem dabei auftretenden Interferenzmuster lässt sich die winzige Längenveränderung ermitteln – bis auf ein Attometer genau – dies entspricht einem Hundertmilliardstel des Durchmessers eines Atoms.

Im Februar 2016 war es dann soweit: Zum ersten Mal registrierten die Messlaser der LIGO-Detektoren das charakteristische Signal von Gravitationswellen. Verursacht hatte sie die Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern in rund 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Seither haben Forscher Dutzende weitere solcher Gravitationswellen-Ereignisse eingefangen, darunter auch die Signale einer Kollision zweier Neutronensterne sowie der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern.

Photonenstrahl und Laserkanone

Gebündeltes Licht als Waffe

In der Science-Fiction gibt es sie längst: Waffen, die auf der Kraft des gebündelten Lichts basieren. Ob die Phaser und Photonentorpedos bei „Star Trek“ oder das altbekannte Laserschwert der Yedi im „Krieg der Sterne“: Die Strahlenkanonen und -waffen durchschneiden selbst härtestes Metall und lassen sich meist auch noch in ihrer Intensität regulieren. Wie aber sieht es in der Realität aus?

Menschen als Ziele sind – noch – tabu

Dass Laser ausreichend Durchschlagskraft besitzen, um selbst dicke Stahlplatten zu zerschneiden, zeigen bereits unzählige Industrieanwendungen. Um einen Laser zur Waffe zu machen, muss er aber idealerweise auch kompakt genug sein, um auf ein Fahrzeug oder Flugzeug zu passen oder auf andere Weise transportabel zu sein. Die Entwicklung von Laserdioden und Faserlasern haben gerade in den letzten Jahren dafür neue Möglichkeiten geschaffen.

Tatsächlich experimentieren Waffenhersteller und Militärs schon seit längerem mit verschiedensten Formen von Laserwaffen. Meist senden diese gebündelte Strahlung im Kilowatt-Bereich aus, die Minen, Raketen, Drohnen oder andere feindliche Vehikel zerstören soll. Eine Laserwaffe auf Menschen zu richten, ist allerdings offiziell tabu. Denn bereits 1995 wurden Blendwaffen durch eine US Resolution verboten, an die sich – angeblich – die meisten Staaten halten.

Laserkanone an Bord

Bereits 2001 installierte die US Air Force einen chemischen Sauerstoff-Laser (COIL) an Bord einer 747, um damit im Kriegsfall Raketen abschießen zu können. Der Laser füllte jedoch fast den ganzen Innenraum des Flugzeugs aus. Er konnte zudem seine Ziele erst dann treffen, als er durch eine adaptive Optik ergänzt wurde, die die Streuung des Strahls in der Atmosphäre ausglich. Der Airborne Laser absolvierte zwar bis 2011 einige Tests, das Programm wurde dann jedoch aus Kostengründen gestrichen.

Aber ein weiteres flugzeugbasiertes System ist längst in Arbeit: das „High Energy Liquid Laser Area Defense System“ (HELLADS). Dieser Hochenergielaser erzeugt einen 150 Kilowatt-Strahl und ist so kompakt, dass man ihn auf unbemannten US-Drohnen montieren können soll.  Ein weiteres Laserwaffensystem hat die US Navy auf ihrem Schiff USS Ponce installiert. Dieses soll gegen Drohnen, Hubschrauber und kleinere Boote eingesetzt werden. Das System besteht aus sechs herkömmlichen Faserlasern, die zu einer rund 30 Kilowatt starken Laserkanone zusammengeschaltet sind.

Laserwaffe mit Star-Wars-Sound

Deutlich kompakter ist die Laserwaffe HEL-MD, die Boeing im Auftrag des US-Militärs entwickelt hat. Das auf einem 10-Kilowatt-Faserlaser basierende System ist auf einem Armeelaster montiert und kann heran fliegende Drohnen oder Raketen selbstständig mit Hilfe von Radar anvisieren und im Flug zerstören. Im Mai 2014 wurde diese Laserwaffe in Florida getestet und funktionierte dabei selbst in Regen und Wind. In früheren Tests brachte das System bereits eine fünf Kilometer entfernt fliegende Drohne durch Verschmoren seines Steuerruders zum Absturz.

Skurrile Anekdote: Weil HEL-MD seine Arbeit absolut lautlos und unsichtbar verrichtet, kann ein Einsatz schon vorüber sein, bevor die Operateure es merken. „Wenn man nicht gerade pausenlos auf den Kontrollschirm starrt, sieht man es gar nicht“, erklärt Boeing-Ingenieurin Stephanie Blount in „Nature News“. Die Lösung dafür: „Wir haben ein Geräusch eingebaut, das anzeigt, wenn wir den Laser feuern.“ Eingesetzt werden dabei – was sonst – Tonausschnitte aus Kampfszenen von Star Trek und Star Wars.

Auf dem Weg zum „Phaser“?

Aber auch tragbare Waffen gibt es bereits: Forschungslabore der US Air Force haben schon vor einigen Jahren den Prototyp eines Lasergewehrs entwickelt, dessen Strahl Menschen gezielt blenden und so temporär außer Gefecht setzen soll. Laser-Blendwaffen sind zwar durch die UN-Resolution ausdrücklich verboten, doch der Laserstrahl solcher „Laser Dazzler“ soll die Getroffenen nur vorübergehend blenden – heißt es jedenfalls.

Sowohl in den USA als auch in China und Großbritannien sind mehrere Varianten solcher Laser-Dazzler im Test oder schon Einsatz. Verwendet werden sollen sie nicht nur im Kriegseinsatz, sondern beispielsweise auch bei inneren Unruhen – kein sehr beruhigender Gedanke.

Per Licht in den Orbit

Laser-Kommunikation im Weltraum

Laser im Orbit – im Kalten Krieg wäre dies als kriegerischer Akt interpretiert worden. Heute jedoch ist ihr Zweck die Verständigung: Der Transfer von Daten per Licht soll die Kommunikation mit Raumsonden und Satelliten effektiver und vor allem leistungsfähiger machen. Oder wie es die NASA formuliert: „Das Internet wird nicht länger durch die langsamen Einwahl-Verbindungen ausgebremst, warum sollte dies bei unseren Satelliten der Fall sein?“

Datenstau im Weltraum

Das Problem: Die Datenmenge, die von den Weltraummissionen zur Erde gesendet wird, steigt exponentiell an. Immer hochauflösendere Kameras und bessere Instrumente generieren immer größere Mengen an Daten, die übertragen und empfangen werden müssen. Die bisher eingesetzten Radiowellen-Verbindungen geraten hier an ihre Grenzen.

Schon jetzt kann beispielsweise die NASA-Marssonde Mars Reconnaissance Orbiter (LRO) nicht alle Bilder ihrer HiRISE-Kamera auf einmal zur Erde senden. Sie muss sie stattdessen portionieren. Hinzu kommt, dass gerade bei weit entfernten Raumsonden planetenumspannende Antennennetzwerke benötigt werden, um das breit aufgestreute Signal einzufangen.

Daten auf den Wellen des Lichts

Die Datenübertragung per Laser könnte diese Probleme lösen. Denn die hohen Energiedichte, die starke Bündelung und erheblich kürzere Wellenlänge sorgen dafür, dass ein Laserstrahl im Vakuum des Weltraums kaum gestreut oder abgeschwächt wird. Das zeigte sich unter anderem im Jahr 1992: Damals erreichten von der Erde ausgesandte Laserpulse die sechs Millionen Kilometer entfernte Raumsonde Galileo, die gerade auf dem Weg zum Jupiter war.

Hinzu kommt, dass sich per Laserlicht eine große Bandbreite an Daten übertragen lässt. Indem man Polarisation, Frequenz oder Amplitude  des Lichts moduliert, kann man enorme Datenmengen kodieren. Noch mehr Möglichkeiten bietet Laserlicht, dem man einen Bahndrehimpuls verleiht. Dadurch drehen sich die Lichtwellen spiralig um die eigenen Achse. Dieses Korkenzieher-Licht kann seinen Drehimpuls auf mikroskopisch kleine Objekte übertragen, aber auch große Mengen an digitalen Daten kodieren und durch die Luft übermitteln.

Verschränkte Quanten aus dem Orbit

Der erste Schritt zu einer Laserkommunikation im All gelang der NASA 2013, als ihre Mondsonde LADEE per Laser Daten mit der Bodenstation austauschte. Die Raumsonde trug dafür einen 0,5 Watt Infrarot-Laser an Bord, der die Daten mittels Amplituden-Modulation kodierte und auf die rund 385.0000 Kilometer lange Reise zur Erde schickte. Diese Datenübertragung erreichte Rekordraten von 622 Megabit pro Sekunde (Mbps), der Upload von der Bodenstation schaffte immerhin 20 Mbps. „Damit sind wir auf dem Weg zur nächsten Generation der Weltraum-Kommunikation“, konstatierte Badri Younes von der NASA.

Doch nicht nur „normale“ digitale Daten lassen sich zum Mond oder in den Orbit schicken, längst ist im Weltraum auch das Zeitalter der Quantenkommunikation angebrochen. Schon im Sommer 2017 hat der chinesische Forschungssatellit „Micius“ erstmals verschränkte Photonen an zwei gut tausend Kilometer auseinander liegende Empfängerstationen auf der Erdoberfläche geschickt. Wenig später folgte die erste interkontinentale Videokonferenz, die mit verschränkten Quanten aus dem Orbit verschlüsselt war.

Relaisstation im Orbit

Auch Europa hat das Laserzeitalter in der Weltraum-Kommunikation eröffnet. Sie will mit ihrem European Data Relay System (EDRS) ein gängiges Problem von Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn lösen: Sie können nur dann Daten zur Erde hinabschicken, wenn sie gerade in Reichweite ihrer Bodenstation sind. Abhilfe schaffen nun Relais-Satelliten in der geostationären Umlaufbahn. Sie erhalten die Daten ihrer niedriger fliegenden „Artgenossen“ per Laserstrahl und senden diese dann aus rund 36.000 Kilometer Höhe zur Erde – dank ihrer festen Position in Bezug zur Erdoberfläche sind sie immer in Reichweite der Bodenstationen.

Wie gut dies funktioniert, demonstrierte bereits 2014 die erste Langstrecken-Übertragung von Bilddaten im Orbit. Sender war der europäische Erdbeobachtungssatellit Sentinel 1A, der seine Daten mithilfe eines an Bord installierten Laserkommunikations-Terminals an den Kommunikationssatelliten Alphasat I-XL im geostationären Orbit schickte. 2016 installierte die ESA den ersten regulären „Laserknoten“ des Systems, EDRS-A. Dieses Laser-Relais sitzt als „Passagier“ am Kommunikationssatelliten Eutelsat 9B. 2019 folgte mit EDRS-C eine zweite Relaisstation