Die Theorie des LASER-Lichts samt der Quantenmechanik

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KAPITEL 2 - Radio- und Mikrowellen

Es gibt innere und äußere Gründe, warum nach Einsteins früher Einsicht in die stimulierte Emission von Licht niemand angefangen hat, mit diesem Mechanismus einen Laser zu bauen.

Zum einen befand sich die Wissenschaft der Physik am Ende des Ersten Weltkriegs (1918) in einem chaotischen Zustand. Nach der notwendigen Einführung der Quantensprünge war das Gebäude der alten - klassischen - Physik als brüchig erkannt und aufgegeben worden, aber etwas Neues war noch nicht in Sicht.

Zwar kursierte die Idee von atomaren Zuständen mit Quantenübergängen, aber die Wissenschaft, die mit ihnen systematisch die Stabilität der Materie, das Entstehen von Licht oder die Festigkeit chemischer Bindungen erklären konnte, ließ noch auf sich warten.

Imaginäre Größen wie die Unbestimmtheit von Atomen

Es sollte bis in die späten 1920er Jahre des 20. Jahrhunderts dauern, bevor die alte Ordnung der klassischen Physik durch die neue Ordnung der Quantenmechanik abgelöst werden konnte, und selbst dann waren viele Physiker - unter anderem Einstein - nicht bereit, in dieser Beschreibung der Natur das letzte Wort zu sehen.

In ihr tauchten imaginäre Größen auf und zeigten sich seltsame Erscheinungen wie die der Unbestimmtheit von Atomen. Es schien, als ob dieses Urgestein der Wirklichkeit seine Eigenschaften erst dann bekam, wenn jemand danach fragte und sie durch einen experimentellen Zugriff bestimmte.

Das kam viel zu überraschend, um sofort eine breite Zustimmung zu finden, und viele Physiker brauchten noch etwas Zeit, um ihre Skepsis aufzugeben, und auch in den Vorlesungen wurde der neue Stoff erst zu einem späteren Zeitpunkt in der nötigen Breite geboten.

Ein praktisches Hindernis oder ein Denkfehler ?

Neben der theoretischen Schwierigkeit gab es noch das praktische Hindernis, dass die anvisierte stimulierte Emission nach erster Einschätzung bestenfalls eine Randerscheinung bleiben und technisch mehr oder weniger nutzlos sein würde. Das Argument dazu lautete wie folgt:

Wenn ein stimulierendes Photon beziehungsweise ein entsprechender Lichtstrahl mit der passenden Energie auf ein Gas aus Atomen oder Molekülen oder einen anderen makroskopischen Körper trifft - eine Flüssigkeit oder einen Kristall -, dann gibt es dort zwei Arten von Atomen oder Molekülen, die empfangsbereit sind.

Da sind zum einen die zahllosen Atome oder Moleküle, die sich im Grundzustand befinden, und da sind zum anderen die extrem dünn gesiedelten Atome oder Moleküle, die energetisch angeregt sind.

Für die erwünschte stimulierte Emission relevant sind natürlich nur die angeregten Zustände, aber die werden in der Minderheit sein, wenn das Ganze im Gleichgewicht ist, wie es sich gehört.

Die benötigten Zustände werden eine derartige Minderheit bilden, dass für ein angeregtes Atom oder Molekül so gut wie keine Chance besteht, geeignet stimuliert zu werden. Und selbst wenn ein solcher Vorgang zufällig doch einmal stattfindet, werden die erzeugten Photonen sofort von den ungeheuer vielen Atomen oder Molekülen abgefangen, die im Grundzustand verharren und gern bereit sind, Energie aufzunehmen.

Die Zahl der Atome in einem Würfel Materie ausrechnen

Davon gibt es tatsächlich eine unübersehbare und unvorstellbare Menge, wie den Physikern bereits seit dem 19. Jahrhundert bekannt war. Damals war es ihnen zum ersten Mal gelungen, die Zahl der Atome in einem Würfel Materie auszurechnen, und nachdem eine von Einsteins Arbeiten aus dem Jahr 1905 das Ergebnis bestätigen konnte, verfügten die Naturforscher über ein neues Grundwissen.

Doch was Wissenschaftler irgendwann akzeptieren und begreifen, kann für den Laien überraschend und verwirrend bleiben, und dazu gehört die Zahl, mit der die Menge von Molekülen etwa in einem Tropfen Wasser oder die Zahl der Atome in einer Kupfermünze erfasst wird.

Sie sind beide so groß, dass man sie - um mit Christian Morgenstern zu sprechen - nur als »immens« bezeichnen kann. Als dazugehörige Größenordnung findet sich in den Lehrbüchern der Betrag von 10 hoch 23, der weit jenseits aller Milliarden (10 hoch 9) oder Billionen (10 hoch 12) liegt, von denen wir ab und zu im Alltag hören.

Selbst wenn wir milliardenfach eine Billion vermehren, bleiben wir mit 10 hoch 21 unter der genannten Zahl, die in Fachkreisen als Avogadro- oder Loschmidt-Zahl bekannt ist (in Erinnerung an die Namen von zwei Physikern des 19. Jahrhunderts).

Es konnte also gar nicht funktionieren

Das ist der Grund, weshalb viele Physiker glaubten, dass eine stimulierte Emission so ohne weiteres nicht funktionieren würde. Wie sollen sich auch ein paar angeregte Atome gegen eine immense Anzahl von Konkurrenten im Grundzustand durchsetzen, wenn sich alle gleichzeitig und gleichberechtigt um das passende Photon streiten?

So sieht es aber im Normalfall in einem Stück Materie aus - einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem festen Körper. Ihre Bausteine befinden sich überwiegend in dem Grundzustand, der ihnen ihre physikalischen Eigenschaften gibt. Viele Jahre hindurch erkannte niemand einen Weg, um an dieser Situation etwas zu ändern.

Der Wunsch nach Ortung

So verringerte sich bald die Zahl der Wissenschaftler, die sich um die stimulierte Emission kümmerten. Zum einen waren sie durch andere Entwicklungen abgelenkt, die sich unter dem Stichwort Radioaktivität zusammenfassen lassen und am Ende der 1930er Jahre zu der Entdeckung der Kernspaltung führten - mit den bekannten politischen und militärischen Folgen.

Und zum anderen hatte das inzwischen nationalsozialistisch gelenkte Deutschland alles getan, um den Zweiten Weltkrieg zu provozieren, und viele Forscher bekamen andere - militärisch relevante - Aufgaben zugeteilt. Eine davon bestand darin, Systeme und Apparate zu konstruieren, mit denen sich erst Schiffe und dann auch Flugzeuge orten ließen.

Es galt, geeignete Signale zu finden, die sich aussenden und nach Reflexion wieder empfangen ließen. Dieses Verfahren, das der Vorgehensweise von Fledermäusen entsprechen sollte, die mittels Ultraschall eine akustische Ortung vornehmen, wurde als Radarsystem bezeichnet und bald erfolgreich eingesetzt.

Wir landen wieder beim (deutschen) RADAR von 1904

Doch anders als die Evolution bei den Fledermäusen griffen die Wissenschaftler für ihre technischen Entwicklungen auf die elektromagnetischen Wellen zurück, die Heinrich Hertz im späten 19. Jahrhundert erzeugen und zum Senden und Empfangen von Radiosignalen verwenden konnte.

Bereits 1904 hatte ein junger deutscher Ingenieur, Christian Hülsmeyer, ein Gerät vorgestellt, das mit derartigen Wellen operierte und es Schiffen erlaubte, rechtzeitig Hindernisse zu registrieren und folglich zu meiden. Hülsmeyer nannte seine Erfindung »Telemobiloskop« (Fernbewegungsseher), er ließ das Instrument auch patentieren, aber sein Angebot blieb zunächst ohne besondere Resonanz oder Nachahmer.

Die Bedeutung der Wissenschaft für die Militärs

Diese Lage änderte sich mit dem Zweiten Weltkrieg vor allem in amerikanischen Laboratorien, in denen die Idee, metallische Objekte mit der Reflexion von elektromagnetischen Wellen zu orten, schon in den 1920er Jahren vorangetrieben worden war.

Die dazugehörigen Versuche waren mit Radiowellen vorgenommen worden, wie sie Hertz bereits generiert hatte. Ihre Wellenlänge wird in Metern angegeben, was Frequenzen in der Größenordnung von Gigahertz (eine Milliarde Hertz] ermöglicht.

Das amerikanische Militär erkannte sehr früh die Bedeutung der Wissenschaft, die sich mit solchen Radiostrahlen beziehungsweise Wellen befasst. Wenn man einen Blick auf die nachfolgenden Errungenschaften wirft, zu denen die Forschung im Lauf der frühen 1940er Jahre beitragen konnte - Radar, Düsenflugzeuge, elektronische Kontrollelemente, Nachrichtensysteme und mehr -, begreift man, dass in den entsprechenden Offizierskreisen sogar einiger Respekt vor der Wissenschaft aufgekommen ist.

Das ist möglicherweise auch einer der Gründe, weshalb Deutschland im Verlauf der vierziger Jahre Forschung auf einem Nebengleis betrieb, von dem aus nur zugeschaut werden konnte, wie die Wissenschaft jenseits des Atlantiks immer stärker und besser wurde.

Hier erscheint erstmalig der junge Physiker Charles H. Townes

Es überrascht daher nicht, dass die ersten Lasergeräte in den Vereinigten Staaten produziert wurden. Der Erfolg bahnte sich - wie im Rückblick zu erkennen ist - bereits 1940 an, als der junge Physiker Charles H. Townes von höherer Stelle darum ersucht wurde, seine bisherigen Untersuchungen ruhen zu lassen und sich um die Weiterentwicklung von als kriegswichtig eingeschätzten Radarsystemen zu kümmern.

Zum Zeitpunkt dieser Aufforderung arbeitete Townes noch bei den inzwischen berühmten Bell Laboratories (Bell Labs), die damals in Manhattan angesiedelt waren und deren Mitarbeiter nach dem Zweiten Weltkrieg zum Beispiel 1947 den Transistor entwickelten, ohne den kein PC funktionieren würde.

Townes war zwar nicht bereit, seine geliebte Wissenschaft für die Entwicklung von Apparaten oder Kampfwaffen einzusetzen, die der Zerstörung oder Vernichtung dienten. Außerdem schätzte er den militärisch orientierten Auftrag wissenschaftlich als wenig attraktiv ein.

Doch es herrschte Krieg, und da galt es, persönliche Bedenken zurückzustellen und Einschränkungen der eigenen Freiheit hinzunehmen.

Die Neugierde bezüglich der Möglichkeiten der Zentimeter-Wellen

Was Townes inhaltlich interessierte und ihn letztlich lockte, war eine Tendenz der schon mit dem Radar vertrauten Kollegen, sich Wellenlängen zuzuwenden, die kürzer als 10 Zentimeter waren (was Frequenzen im Bereich von mehreren Gigahertz bedeutet). Mit solchen Mikrowellen sollte die Sensitivität der Ortungssysteme erhöht werden.

Zugleich hoffte man, dabei Antennen einsetzen zu können, die klein und handlich genug waren, um auf Flugzeugen untergebracht zu werden. Irgendwann tauchte im Verlauf der Arbeiten der Vorschlag auf, Townes solle ein Radarprojekt ins Auge fassen, bei dem Wellenlängen von 1,25 Zentimetern eingesetzt werden konnten, und so sah sich der Physiker nach einer geeigneten Quelle für die dazu benötigten Strahlen im Mikrowellenbereich um. Im Verlauf der nun einsetzenden Suche nach einer Quelle für Mikrowellen und mit seinen weiteren Arbeiten konnte Townes in den fünfziger Jahren den Weg bereiten, der der Menschheit den Laser - und ihm 1964 den Nobelpreis für Physik - bescherte.

April 1951 - An einem Morgen im Park - der Geistesblitz

Zunächst funktionierte allerdings nicht viel, wie Townes es geahnt und vorhergesagt hatte, denn elektromagnetische Strahlung der genannten Wellenlänge kommt kaum durch die Luft. Sie wird massiv von dem Wasserdampf, der in der Atmosphäre vorhanden ist, aufgenommen und abgefangen.

So kam zwar kein einsetzbares Radargerät zustande, aber Townes gewann die Einsicht, dass auch Ammoniak die Energie der 1,25cm langen Wellen gut verwerten konnte (absorbierte), und als der Krieg zu Ende war, wollte er den Grund dafür erkunden und mehr über die dazugehörigen Molekülstrukturen lernen.

Dazu bot sich ihm die Gelegenheit an der Columbia University in New York, an die er inzwischen als Professor berufen worden war. Hier brauchte er keine Rücksicht auf militärisch motivierte Geldgeber und ihre Anwendungsorientierung zu nehmen. Er hatte alle Zeit der Welt für die geliebte Grundlagenforschung, die nicht zweckgebunden betrieben werden musste, und das wirkte sich bald sehr praktisch aus - weil etwas Bemerkenswertes passierte.

Wasserstoff-, Stickstoff- und Ammoniak- Moleküle

Townes entwickelte nämlich eine Art Zuneigung zu der Struktur, die Chemiker als NH3 kennen und bei der drei Wasserstoffmoleküle (H) ein Dreieck bilden, durch das ein Stickstoffmolekül (N) schwingen oder schaukeln kann. Das Molekül wurde »so etwas wie ein Freund, dessen Gewohnheiten ich kenne«, wie Townes in seiner Autobiographie "How the Laser Happened" eingesteht, und diesen vertrauten Begleiter wollte er nicht mehr aus den Augen verlieren. Im Gegenteil! Er wollte seinen Freund - das Ammoniakmolekül - in das Zentrum all seiner Versuche stellen und als die Strahlenquelle einsetzen, die er suchte.

Die Suche nach einer speziellen Molekül-Struktur

Die Physiker, die vor ihm nach solch einer Struktur suchten, dachten bei solchen Fragen an Hohlräume, die sie aufheizen konnten. Aber die anvisierte Strahlung kam doch von dem Ammoniak selbst, wie man wusste. Natürlich reicht es nicht, wenn ein Molekül allein aktiv ist.

Es galt deshalb, einen Weg zu finden, an dessen Ende viele NH3-Moleküle gemeinsam ihre Licht aussendende Schwingung ausüben würden. Und am 26. April 1951 fiel Townes auf einer Parkbank in Washington ein, wie dabei vorzugehen war.

Eine "Licht aussendende Schwingung" ersinnen

Es kam darauf an, ein Verfahren für diese Licht aussendende Schwingung zu ersinnen, die wenigen angeregten Moleküle, die sich in einem Ammoniakgas befinden, von den vielen anderen zu trennen, die sich im Grundzustand aufhalten.

Townes stellte sich vor, dies könne mithilfe eines besonderen Magnetfelds geschehen, durch das man einen Strahl aus Ammoniak-Molekülen schicken könnte.

Alle Moleküle interagieren dank ihren Ladungen mit einem Magnetfeld, und sie tun dies in Abhängigkeit von ihrem Zustand auf unterschiedliche Weise. Townes wusste sogar, dass Ammoniakmoleküle in der angeregten Form durch magnetische Einwirkungen eine andere Richtung bekommen würden als im Grundzustand. Der Molekularstrahl würde aufgespalten, und die beiden Formen von Ammoniak könnten getrennt eingesammelt werden.

Ziel war die von Einstein erkannte stimulierte Emission

Wenn sich auf diese Weise tatsächlich eine Ansammlung von angeregten - strahlungsbereiten - Molekülen produzieren ließ, dann konnte in dieser Anhäufung die von Einstein erkannte stimulierte Emission einsetzen:

Ein spontaner Quantensprung in den Grundzustand würde reichen und ein erstes Photon freisetzen, das anschließend eine stimulierende Kaskade in Gang setzen könnte, die massiv anwachsen könnte, bis sie einen Mikrowellenstrahl der gewünschten Art hervorbringen würde.

So könnte es grundsätzlich gehen, dachte sich Townes im Park. Aber wie immer bei solchen Einfällen steckte der Teufel in den Details, und von denen gab es eine Menge zu klären.

Wie lange verharren angeregten Zustände von Molekülen

Zum Beispiel galt es zu erkunden, ob die angeregten Zustände der Ammoniakmoleküle lang genug bestehen blieben, um auf ihre Stimulation zu warten.

Würden sie nicht vorher spontan in den Grundzustand springen ? Und wie konnte man verhindern, dass anfänglich nicht nur ein oder zwei, sondern sofort sehr viele Moleküle ihre zusätzliche Energie unvermittelt abgaben, was nur zufällig verteilt und ohne Ordnung vor sich gehen konnte und damit die nachfolgende stimulierte Emission in alle Richtungen - also im Sand - verlaufen lassen würde?

Der spätere Schwager Arthur Schawlow kommt ins Gespräch

Townes besprach diese Probleme sogleich mit seinem Kollegen Arthur Schawlow, der als Sohn russischer Emigranten in New York geboren worden war, bald Townes' Schwager werden und später (1981) ebenfalls den Nobelpreis für Physik erhalten sollte.

Die beiden Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass Townes zwar auf dem richtigen Weg war, dass die Idee eines Mikrowellenstrahls durch stimulierte Emission von Ammoniakmolekülen aber nur funktionieren würde, wenn der ganze Vorgang in eine längliche Kammer - einen Resonator - verlegt würde, an deren Enden Spiegel angebracht waren.

Ein erstes Konzept für ein "Laser-Rohr" wurde geboren

Von den vielen Mikrowellen würden wenigstens einige geeignet auf eine der beiden reflektierenden Wände auftreffen, anschließend von dort auf den gegenüberliegenden Spiegel gelenkt, von da zurückprallen und so in einem dauernden Hin und Her allmählich für genügend Photonen gleicher Richtung durch stimulierte Emission sorgen.

Townes und Schawlow überzeugten sich, dass ein geeigneter Resonanzkasten einen Mikrowellenstrahl produzieren könnte, der von Molekülen ausging und dadurch fantastische Qualitäten haben müsse.

Die Begriffe von kohärent und phasengleich wurden besprochen

Alle so entstehenden Wellenzüge wären nicht nur mit derselben Wellenlänge ausgestattet, sondern der Strahl wäre darüber hinaus einfarbig (monochromatisch}.

Alle Wellenzüge würden zudem völlig gleichartig schwingen, wären also kohärent, und beide Eigenschaften lohnten jede Anstrengung, um die zunächst nur imaginierten Strahlen physikalische Wirklichkeit werden zu lassen. Townes machte sich umgehend an die Arbeit.
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Ein neuer Begriff wurde geboren - der MASER

Mit seinen Kollegen setzte Townes die Verstärkung von Mikrowellen durch die stimulierte Aussendung von Strahlung bald um und nannte sie MASER, »Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation«.

Ersetzt man die unsichtbaren Mikrowellen durch sichtbare Lichtwellen - durch Licht -, so bekommt man offenbar den LASER, was an dieser Stelle erwähnt werden muss, um die Grundbausteine dieser Strahlenquelle vorzustellen.

In ihr sind tatsächlich alle in der oben vorgestellten Idee von Townes und Schawlow enthalten:

Ein Maser benötigt drei Elemente ......

Ein Maser (beziehungsweise Laser) benötigt drei Elemente, um zu funktionieren. Da ist zunächst ein Molekül oder ein Atom, das Strahlung mit der geeigneten Wellenlänge aussendet und gern als laseraktives Medium bezeichnet wird.

Das heißt, zum Lasermedium gehört in den raffinierten Apparaten unserer Tage noch etwas mehr, nämlich eine Art Rückhalt, in dem die Licht aussendenden Strukturen verankert sind. Bei dem ersten Laser von 1960 wurde dieser Rückhalt durch einen Kristall und sein Gitter geboten.

Die Populations-Inversion

Das Lasermedium wird seinen Dienst nur ausüben, wenn die überwiegende Zahl der atomaren oder molekularen Sender - also zum Beispiel das Ammoniak - Energie aufgenommen hat und über seinen Grundzustand angeregt ist.

Wenn es mehr Moleküle beziehungsweise Atome auf hohem Niveau - also im strahlungsbereiten Zustand - als auf der Basisebene - in empfangsbereiter Form - gibt, spricht man von einer Populationsinversion.

Townes konnte diese Voraussetzung in seinem Gedankenexperiment durch ein Magnetfeld erreichen.

Die Energiequelle als zweites Element - das optische Pumpen

Allgemein benötigt ein Laser als zweites Element eine Energiequelle, die für die Umkehrung der Besetzungszahlen sorgt, und in vielen Fällen setzen die Physiker dazu Licht ein.

Sie bedienen sich also des "optischen Pumpens", das in den 1950er Jahren sorgfältig erkundet wurde und heute gut funktioniert, obwohl es seltsam wirkt:

Man setzt "Pumplicht" ein, um Laserlicht zu bekommen, und manchmal benötigt man sogar eine sehr hohe "Pumpleistung", um einen nicht besonders starken Laserstrahl zu bekommen. Was den Einsatz aber trotzdem und nahezu immer lohnt, ist die Qualität des Laserlichts.

Drittens : Der optische Resonator

Als drittes Element verfügt ein Laser über den optischen Resonator, der im Wesentlichen aus zwei Spiegeln besteht, von denen einer lichtundurchlässig ist, was heißt, dass er so viel wie möglich an Strahlung reflektiert.

Ihm gegenüber befindet sich ein teildurchlässiger Spiegel, durch den die Strahlung, für die man den ganzen Aufwand getrieben hat, nach außen gelangen kann.

"LOSER" war nicht der richtige Name dafür

Da sich das Licht in dem optischen Resonator zwischen den Spiegeln hin und her bewegt, kann man auch von einem Oszillieren sprechen.

Witzbolde haben daher einmal vorgeschlagen, man müsse bei einem Laser eher von der "Lichtoszillation" durch stimulierte Emission von Strahlung sprechen und für das Ganze eigentlich das Kürzel "LOSER" wählen - ein Gedanke, der sich verständlicherweise nicht durchsetzen konnte, der uns aber einen weiteren Blick auf die Besonderheit von Wissenschaftsgeschichte erlaubt.

Viele weitere Ideen zu angeregten Gasmolekülen

Als Townes sich mit den Ammoniakzuständen zu beschäftigen begann, dachten längst schon andere Wissenschaftler über Strahlungen aus molekularen oder atomaren Quellen und ihre Verstärkung nach, zum Beispiel der russische Physiker Valentin A. Fabrikant, der sich wahrscheinlich als Erster fragte, was Gasmoleküle zustande bringen könnten, wenn sich die meisten von ihnen in einem angeregten Zustand befinden.

Überhaupt hat die sowjetische Wissenschaft viel zu Masern und Lasern beigetragen: Zusammen mit Townes erhielten Alexander Prochorow und Nikolai Basow 1964 den Nobelpreis für Physik. Sie haben das Konzept des optischen Pumpens entwickelt und - unabhängig von den amerikanischen Forschern - theoretisch ausgearbeitet, wie ein Maser funktionieren würde.

1955 - Überraschende Vorträge sowjetischer Physiker

In seiner Autobiographie beschreibt Townes seine Überraschung, als er 1955 an einer wissenschaftlichen Konferenz in England teilnahm und, wie damals üblich, unangemeldete Vorträge der beiden sowjetischen Physiker hörte, in denen sie genau das Konzept vorschlugen, das ihm gerade umzusetzen gelungen war.

Er meldete sich nach den Präsentationen zu Wort, um zum ersten Mal vor internationalem Publikum über das Funktionieren eines Masers zu berichten.

Der Maser funktionierte bereits 1954

Im April 1954 war es nämlich Townes in Zusammenarbeit mit James Gordon an der Columbia University gelungen, alle Anfangsschwierigkeiten bei der Konstruktion eines Masers zu überwinden. Und es gab genug davon.

Sie begannen mit der Quelle für den Ammoniakstrahl und endeten mit den Abdichtungen des Resonators. Das System benötigte zusätzlich die Anbringung von zwei Dipolen, wie man sie von einem Magnetstab mit Nord- und Südpol kennt, die dann als sogenannte Quadrupole halfen, die sich aufbauenden Strahlen zu bündeln (fokussieren).

Townes freute sich diebisch darüber, weil die beiden Russen darauf nicht gekommen waren. Er selbst gab bereitwillig zu, die Idee zu dieser Anordnung dem deutschen Physiker Wolfgang Paul zu verdanken, der sie bereits 1951 vorgeschlagen hatte (und der 1989 zu Nobelpreisehren kommen sollte).

Die Fokussierung der Quadrupole

Die Fokussierung der Quadrupole lässt erkennen, dass der Weg von den spielerischen Gedanken an einem Frühlingstag des Jahres 1951 bis zur mühsamen experimentellen Umsetzung voller Probleme steckte - nicht nur technischer, sondern auch persönlicher Art.

Denn nicht wenige seiner Kollegen warfen Townes vor, mit den Bemühungen um kohärente Mikrowellenstrahlen Forschungsmittel zu verschwenden, die besser an anderer Stelle eingesetzt werden könnten.

Sie prognostizierten, dass sein Vorschlag mit der stimulierten Emission niemals funktionieren würde, und ihre Argumente, die sich nicht nur auf praktische Probleme bezogen, sondern auch die großen Lehrsätze der Physik bemühten, beeindruckten Townes schon.

Aber zum Glück hatte er eine unkündbare Anstellung an der Universität, und dieses Privileg erlaubte ihm, einen langen Atem zu haben und seinem Gefühl zu folgen, dass das Ammoniakmolekül als treuer Freund ihn nicht enttäuschen würde.

Alles kam, wie erwähnt, im April 1954 zusammen, und nachdem man den gewünschten Mikrowellenstrahl erzeugt und nachgewiesen hatte, machte sich Townes' Team auf die Suche nach einem Namen und prägte bald das längst weltbekannte Akronym Maser.

1958 - Der Wettlauf um den Laser begann

Der eigentliche Wettlauf um den Laser begann um das Jahr 1958, als Schawlow und Townes eine Arbeit publizierten, in der sie die theoretischen Bedingungen erkundeten, die erfüllt werden mussten, um Maser für den infraroten und sichtbaren Bereich des Spektrums - »infrared and optical masers« - zu bauen.

Im Vergleich zu Mikrowellen besteht ein Problem mit Lichtwellen in der sehr viel kleineren Wellenlänge, die die Möglichkeit ausschließt, einen Hohlraum so genau zu konstruieren, dass er exakt auf einen Wellenzug abgestimmt ist und ihn zur Resonanz bringt.

Neu : Wellenlängen im Nanometer-Bereich

Wenn Wellenlängen in Zentimetern gemessen werden, kann man die Länge des Hohlraums entsprechend festlegen, und in ihm wird es mit geeigneten Spiegeln an den Längsseiten zu den stehenden Wellen kommen, die zuletzt als Strahl den Resonator verlassen.

Doch was ist, wenn die Wellenlängen in Nanometern (nm) anzugeben sind und also weniger als ein Tausendstel Millimeter umfassen? Wie konnte das zu verstärkende Licht in einem Kasten untergebracht werden?

Seit 1897 bekannt - das Fabry-Perot-Interferometer

Als sich Townes noch Gedanken über eine Würfelform machte, erinnerte sich Schawlow an ein Gerät, das den Physikern seit 1897 zur Verfügung stand und nach seinen Konstrukteuren, den französischen Forschern Charles Fabry und Alfred Perot, benannt ist: das Fabry-Perot-Interferometer, das aus zwei parallelen Spiegeln besteht, zwischen denen Licht hin und her reflektiert wird.

Solange die Spiegel weit genug auseinander und gut ausgerichtet sind, fangen die Lichtstrahlen an, sich in dem Medium zwischen ihnen hin und her zu bewegen, bis eine Lichtwelle entsteht, die die Energie aller angeregten Atome in dem Gerät aufnimmt, was eine kontinuierliche Oszillation zur Folge hat.

Durch diesen Vorgang ließe sich die angestrebte Kohärenz erreichen, das heißt, alle "Lichtquanten" würden im Gleichschritt agieren und man bekäme einen Strahl mit einer Frequenz im sichtbaren Bereich, der zudem sein Medium scharf gebündelt verlassen und nur einen geringen Öffnungswinkel von wenigen Grad zeigen würde.

Doch welche Moleküle sollten für das "Licht" sorgen ?

Es blieb noch die Frage, welches Material - welche Atome oder Moleküle - in einem Fabry-Perot-Resonator für das Licht sorgen sollten, und dafür schlugen Townes und Schawlow in ihrer Arbeit Kalium vor.

Bei diesem Element konnte man sich auf das einzelne Elektron konzentrieren, das die Außenhülle des Atoms ausmacht. Bei Kalium waren die dazugehörigen Energiezustände sehr genau vermessen worden, und die Absorption lag im sichtbaren Bereich des Spektrums.

Ein Laserrohr mit 2 Spiegeln mit 10cm Abstand

Die beiden Physiker stellten sich einen Hohlraum vor, in dem zwei Spiegel 10 Zentimeter voneinander entfernt angebracht sein sollten und der mit Kaliumdampf gefüllt war.

Natürlich benötigten sie noch eine Energiequelle, um die Alkalimetalle zur Vorbereitung der stimulierten Emission geeignet anzuregen. Für diese Aufgabe schlugen sie den Gebrauch einer Lampe vor, die möglichst viel violettes Licht mit einer Wellenlänge von 405 Nanometern aussendete.

Damit sollte das Kalium in einen angeregten Zustand befördert werden, den es unter Aussendung von infrarotem Licht verlassen würde, das sich schließlich im Resonator zu dem Strahl aufschaukeln ließ, auf den es ankam.

Das war eine wegweisende Grund-Idee

Wie sich in den kommenden Jahren herausstellte, erwies sich die im Grund einfache Idee mit den parallelen Spiegeln als wegweisend.

Aber der Vorschlag, Kalium als Medium zur Erzeugung des Lichts einzusetzen, muss als misslungen bezeichnet werden. Er wurde nie ernsthaft probiert.

Trotzdem - mit dem Erscheinen der Arbeit von Schawlow und Townes im Jahr 1958 war das Rennen um den Laser eröffnet. Und wie nicht anders zu erwarten war, trug ein Außenseiter den Sieg davon.

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