00:43 24 Januar 2018
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    Laser (Archiv)

    Wie der Laserstrahl mit seinen unendlichen Möglichkeiten geschaffen wurde

    © Sputnik/ Juri Strelets
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    Ohne Laser kommt tatsächlich kein Bereich unseres Lebens aus. Sie werden von Militärangehörigen und Ärzten, Bauarbeitern und Schülern verwendet. Laser gibt es in Computersystemen und auf Satelliten. Mit ihrer Hilfe werden in Laboren Energieströme erzeugt, die nach ihrer Stärke einer nuklearen Explosion vergleichbar sind.

    Zudem wird die Umgebung bis zu superniedrigen Temperaturen heruntergekühlt. Die Erfindung des Lasers ist sehr bedeutsam, daher wurden dafür den Forschern Nobelpreise verliehen. Einer der wissenschaftlichen Väter des Lasers, der sowjetische Physiker Nikolaj Bassow, wäre am 14. Dezember 2017 95 Jahre alt geworden.

    Zur Erfindung des Lasers führte die Erforschung der Prozesse, die im Atom geschehen. Die Elektronen können darin verschiedene Energieniveaus einnehmen – je höher das Niveau ist, desto weiter liegt es vom Kern. Genauer gesagt: es besteht die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron auf dieser oder jener Stelle zu entdecken, und es "befindet sich" dort, wo die Wahrscheinlichkeit am größten ist.

    Beim Übergang der Elektronen auf ein höheres bzw. tieferes Niveau wird das Lichtquant – Photon – absorbiert oder freigesetzt. Das Photon ist die kleinste Energieportion der elektromagnetischen Welle. Wenn die Strahlung erzwungen wird – von einer Einwirkung von außen ausgelöst –, werden einige Parameter der Schwingungen der Photonen identisch sein. Dadurch wird die Enge des Wellenlängenbereichs, die für das Laserlicht charakteristisch ist, erreicht.

    Damit das Atom Photonen ausstrahlt, müssen sich die Elektronen auf ein tieferes Niveau bewegen. Und dafür müssen sie zuerst mit Hilfe der Einwirkung von außen auf die höheren Niveaus getrieben werden. Physiker nennen diesen Prozess „Aufpumpen“. Das Atom, in dem die Elektronen die höheren Niveaus einnehmen, wird „erregt“ genannt.

    Erregte Atome werden das Licht fortlaufend ausstrahlen, wenn die Resonanz gewährleistet wird. Die erzwungene Strahlung, wenn sie einmal entstanden ist, muss wieder und wieder den Sprung der Elektronen auf ein höheres Niveau auslösen, nachdem sie die Photonen ausstoßen. Dazu wird die ausstrahlende Substanz, zum Beispiel der Kristall, im optischen Resonator untergebracht, der ein Zwei-Spiegel-System darstellt. Der Resonator gewährleistet ein vielfaches Produzieren von Lichtwellen, wodurch eine starke Strahlung erreicht wird – die Anzahl der Photonen nimmt zu.

    Von Maser zum Laser

    1916 führte Albert Einstein erstmals den Begriff der erzwungenen (induzierten) Aussendung und Absorption von Photonen ein. 20 Jahre später verwies der sowjetische Physiker Valentin Fabrikant auf die Möglichkeit, die erzwungene Aussendung für die Verstärkung der elektromagnetischen Ausstrahlung bei ihrem Durchgang durch den Stoff zu verwenden.

    Nikolaj Bassow (Archiv)
    © Sputnik/ Anatoli Sergeew-Wasiljew
    Nikolaj Bassow (Archiv)

    Bei der Unionskonferenz für Radiospektroskopie im Mai 1952 hielten Nikolaj Bassow und sein wissenschaftlicher Leiter Michail Prochorow einen Vortrag, in dem sie von der Möglichkeit der Nutzung der erzwungenen Aussendung für die Verstärkung und Generierung von Millimeterwellen sprachen. Fast zur gleichen Zeit stellte der US-Physiker Charles Townes an der Columbia University diese Theorie auf.

    „Im Juli 1954 wurde in der Zeitschrift 'Physics Review Letters' ein Artikel von Charles Townes, James Gordon und Herbert Zeiger veröffentlicht, der bei der Redaktion am 5. Mai 1954 eingegangen war. Im Artikel ging es darum, dass 'eine Versuchsanlage ins Leben gerufen wurde, dass sie funktioniert und als Mikrowellenspektrometer hoher Lösung, Mikrowellenverstärker oder sehr stabiler Generator verwendet werden kann'. Das war die erste Meldung von der Umsetzung des molekularen Generators – des Masers“, erzählt Jewgeni Prozenko, Professor des Fachbereichs für Laserphysik an der Nationalen Universität für Nuklearforschung (MEPhI).

    Die erste Quelle der elektromagnetischen Ausstrahlung, die auf den Übergängen des Ammoniakmoleküls basierte, strahlte eine Lichtwelle mit einer Länge von 1,25 Zentimetern aus. Das Gerät wurde „Maser“ genannt. Das ist ein Akronym und steht für „microwave amplification by stimulated emission of radiation“. Den Vorgänger des Lasers schufen gleichzeitig und unabhängig voneinander zwei wissenschaftliche Gruppen – im Lebedew-Institut für Physik, geleitet von Nikolaj Bassow und Michail Prochorow, und an der Columbia University, geleitet von Charles Townes.

    „Beide Gruppen haben den Ammoniak-Maser in der Tat gleichzeitig vorgeschlagen und geschaffen, wovon der Nobelpreis zeugt. Bemerkenswert ist die Tatsache, dass beim riesigen Unterschied der Startbedingungen – das friedliche Leben in den USA und die Kriegs- und Nachkriegsjahre in der Sowjetunion – die wissenschaftlichen Gruppen 'den Ausgleich erreichten' und die Entdeckung gleichzeitig machten, die gemäß ihrer Bedeutsamkeit ausgezeichnet wurde“, erinnert sich der Doktor der Physik und Mathematik und MEPhI-Professor Iossif Subarew, der zusammen mit Nikolaj Bassow arbeitete.

    Das Gerät „Maser“
    © Foto: MEPhI
    Das Gerät „Maser“

    Der Laser ist ebenfalls ein Akronym und steht für „light amplification by stimulated emission of radiation“ (Lichtverstärkung durch induzierte Strahlungsemission). Der Laser kam erst sechs Jahre nach der Schaffung des Maser auf die Welt. Diese Zeit wurde für die Suche nach Materialien und Technologien gebraucht, mit denen der Wellenbereich der Laserstrahlung von 0,1 bis 1000 Mikrometer erreicht werden könnte.

    „Am 16. Mai 1960 schuf der Physiker Theodore Maiman im Labor Hughes (Culver City, Kalifornien, USA) Bedingungen für das Entstehen der erzwungenen Strahlung. Der Forscher verwendete eine Impulsentladungslampe, die den Kristall des Rubins mit einer Länge von 1,5 Zentimeter und einem Durchmesser von etwa einem Zentimeter umgibt. Das Spektrum der Strahlung des Rubins wurde etwas enger, was von einer erzwungenen Lichtausstrahlung zeugte. Das war die Geburtsstunde des Lasers", erläutert Andrej Kusnezow vom Institut für Laser- und Plasmatechnologien (LaPlas) der MEPhI-Universität.

    Der MEPhI-Absolvent Nikolaj Bassow organisierte und leitete dort 1978 den Fachbereich für Quantenelektronik. Seit 2016 wird die vom Nobelpreisträger begonnene Arbeit am Institut für Laser- und Plasmatechnologien (LaPlas) der MEPhI-Universität, das aus mehreren Fachbereichen besteht, fortgesetzt.

    Vor kurzem sagte eine Gruppe von Theoretikern am LaPlas voraus, dass mit leistungsstarken Laserimpulsen im Plasma Magnetfelder mit einer Spannung von Dutzenden Millionen Gauß und mehr geschaffen werden können. Das ist um vieles höher als die mit anderen Methoden erzielte Spannung. Im September 2017 wurde diese Voraussage von der internationalen Forschergruppe am Institut für Schwerionenforschung (GSI) in Deutschland, wo auch MEPhI-Studenten tätig waren, bestätigt.

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