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Für die grundlegenden Arbeiten auf dem Gebiet der "Quantenelektronik", die zur Konstruktion von Oszillatoren und Verstärkern auf der Basis des "Maser"-"Laser"- Prinzips geführt haben, wurde am 29. Oktober 1964 drei Professoren, nämlich den Professoren Charles Towries von der amerikanischen Universität in Massachusetts und Nikolai Basow und Alexander Prockhorov aus Moskau, der Nobelpreis für Physik zugesprochen.

• Anmerkung : Der Begriff "Quantenelektronik" verwirrt hier grenzenlos, denn mit Elektronik hatte das alles erstmal überhaupt nichts zu tun. Es geht um die Quanten-Theorie und die Quanten-Mechanik nach Albert Einstein. Das steht gut erklärt in dem Buch von Prof. Fischer.

Damit würdigte die schwedische Akademie der Wissenschaften in Stockholm eine Entdeckung, die inzwischen eine stürmische Entwicklung erfahren und die auf diesem Gebiet in der ganzen Welt eine überaus intensive Forschungstätigkeit ausgelöst hat.

Einen zusammenfassenden Beitrag über Grundlagen, Wirkungsweise und Anwendungen des Lasers bringen wir in der hier beginnenden Reihe.
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Das Maserprinzip wurde im Jahr 1954 - also bereits vor über zehn Jahren - entdeckt. Das Wort "Maser" ist aus den Anfangsbuchstaben von „Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (Verstärkung von Mikrowellen durch induzierte Strahlungsemission) entstanden.

"Maser" sind demnach (eine Art) Verstärker, die im "Mikrowellen"-bereich arbeiten. Die weitere Entwicklung brachte im Jahre 1960 nach demselben Prinzip arbeitende Geräte für den "Lichtwellen"-bereich. Für ihre Bezeichnung ersetzte man das Wort "Microwave" (Mikrowellen) durch das Wort "Light" (für Licht bzw. sichtbare Wellen) und gewann als neuen Begriff die Abkürzung "Laser". Die Tabelle 1 zeigt in Stichworten nochmals die Entwicklung.

*1) Vergleiche FUNKSCHAU 1966, Heft 1, Seite 32 - "Wer ist der Erfinder des Lasers ?"
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• Anmerkung : Der Begriff Dauerstrichbetrieb bedeutet ununterbrochenen Betrieb über längere Zeit. Der Begriff kommt aus der Amateurfunk- wie aus der professionellen Radio/Rundfunk-Sendetechnik.

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Der "Laser" ist eine "Vorrichtung" (oder besser : ein Gerät), das einen kohärenten Lichtstrahl sehr hoher Intensität und sehr scharf gebündelt ausstrahlt, so könnte man - knapp formuliert - einen Laser beschreiben (Stand 1966) (Anmerkung : korrigiert und so ist es nun auch korrekt fomuliert).

Schwer zu verstehen in dieser Beschreibung ist das Wort kohärent. An Hand bekannter Zusammenhänge läßt sich aber leicht angeben, was mit kohärent gemeint ist. Dazu sind in Bild 2 zwei Frequenzspektren einander gegenüber gestellt:

Das Bild 2a zeigt eine kohärente Strahlung; sie weist nur eine Frequenz(-linie) auf.

Die inkohärente Strahlung im Bild 2b dagegen besteht aus einer Anzahl verschiedener Frequenzen unterschiedlicher Amplitude. Damit wird bereits der Unterschied zwischen einer kohärenten und einer inkohärenten Strahlung deutlich:

Eine Frequenz bei der kohärenten Strahlung ist dasselbe wie eine Wellenlänge, wie eine Farbe oder wie eine monochromatische Strahlung.
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Für die kohärente Strahlung lassen sich somit verschiedene bekannte Begriffe verwenden, die alle dasselbe meinen. Ihre Anwendung unterscheidet sich nur nach dem Frequenzbereich, in dem sie vorkommen.

Die Merkmale der kohärenten Strahlung zeigen sich auch in der Wellendarstellung in Bild 3a, in der regelmäßig, nach bestimmten Zeitintervallen, immer gleiche Verhältnisse auftreten.

Anders ist das bei der inkohärenten Strahlung in Bild 3b. Treten gleichzeitig mehrere Wellen unterschiedlicher Frequenz, verschiedener Amplitude und ungleicher Phasenbeziehungen auf, dann ergibt sich die gezeigte Unregelmäßigkeit.
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• Anmerkung : Das sind Unterschiede durch Subtraktion oder Auslöschungen.

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Noch deutlicher veranschaulicht ein Experiment mit einer Strahlergruppe von Antennen oder Lautsprechern die Zusammenhänge, wenn man die Strahlergruppen in zwei verschiedenen Schaltungen miteinander vergleicht.

Man speist dazu die einzelnen Strahler entweder (in Parallelschaltung) gleichphasig mit einem Generator oder man schließt je einen Strahler an einen eigenen (nicht synchronisierten) Generator an.

Durch Messungen kann man bei der gemeinsamen synchronen Speisung der Strahler eine kohärente Strahlung, bei der getrennten nichtsynchronen Speisung eine inkohärente Strahlung nachweisen.

• Anmerkung : Diese obige Erklärung wirft mehr Fragen auf, als sie beantwortet. Aus meiner Sicht ist das eine sehr unglückliche Interpretation von "kohärent".

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Weiter läßt sich nachweisen, daß die Gruppe nicht gleichphasig betriebener Strahler einer Frequenz dieselbe Richtcharakteristik hat wie ein Strahler [Literatur 1]. Das Experiment zeigt auch, daß dagegen die Strahlung der Gruppe gleichphasig arbeitender Strahler um so schärfer gebündelt ist, je größer das Verhältnis ihrer strahlenden Fläche zur Wellenlänge wird.

Da dies beim Laser der Fall ist, liefert der Laser eine kohärente Strahlung "extrem scharfer" Bündelung.
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• Anmerkung : Auch diese pauschale Aussage ist verwirrend bzw. nur teilweise richtig. Richtig ist, daß ein Laser ein kohärentes Strahlen- oder Licht-Bündel von Photonen-Emissionen ausstrahlt.
  Auf der anderen Seite hat die (spätere) Laser-Diode zum Beispiel einen recht großen diffusen ovalen Abstrahlwinkel von über 15°, ist also überhaupt nicht scharf gebündelt.

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Der Öffnungswinkel des "vom Laser" (er meint hier ein Laser-Rohr) abgestrahlten Lichtbündels beträgt weniger als 1,5 Bogenminuten. Keine herkömmliche Lichtquelle erreichte bisher eine derartige Bündelung, auch nicht mit Hilfe zusätzlicher optischer Einrichtungen, wie Spiegel oder Linsenanordnungen.

Ein Laser gibt aber bereits ohne solche Einrichtungen einen scharf gebündelten und dazu kohärenten Lichtstrahl ab, je nach Aufbau und verwendetem Material im sichtbaren, im infraroten oder ultravioletten Bereich.

• Anmerkung : Hier wird noch ganz korrekt von einem "kohärenten Lichtstrahl" im Bereich des sichtbaren Lichts gesprochen. Auf meine Frage an einen Laser-Experten, wieviele "Laserstrahlen" denn in einem solchen Bündel enthalten seien, kam heraus : Es gibt den einen Laser-Strahl nicht. Es ist immer ein Strahlenebündel von Photonen.

Wie kommt nun eine Laserstrahlung zustande? - Zur Beantwortung dieser Frage müssen wir (nein, "sollten wir", wenn wir das überhaupt studiert hatten ....) uns der folgenden Zusammenhänge erinnern.
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Licht braucht zu seiner Entstehung die Materie, auch wenn es selbst nichts Materielles ist. Licht ist ein Vorgang, ein elektromagnetischer Prozeß, dessen Wesen man sich aus der Zusammensetzung der Materie vorstellen (Anmerkung : können) "muß" [2].

Alle materiellen Dinge bestehen aus einer Vielzahl sich ständig in Bewegung befindender Atome oder Moleküle. Dies gilt auch für den Strahler einer Lichtquelle. Jedes Atom kann verschiedene Energiezustände aufweisen. Es hängt ganz von der Atomsorte und den der Sorte eigenen Energieniveaus ab. Zur Erläuterung dieser Zusammenhänge, soll kurz betrachtet werden, wie die einzelnen Atome aufgebaut sind.

Hierin wird n als sogenannte (Haupt-)Quantenzahl den einzelnen Schalen des Atoms zugeordnet [2, 3, 4]. Jede Schale kann nur eine begrenzte Anzahl von Elektronen aufnehmen. Wie viele Elektronen jede Schale im Höchstfall aufnehmen kann, zeigt die folgende Aufstellung:

Die einzelnen Schalen werden im Modell von innen nach außen gefüllt. Meist sind die äußeren Schalen bei verschiedenen Atomsorten unterbesetzt. Beim Wasserstoff, dem leichtesten Grundstoff beispielsweise, kreist nur ein Elektron um den Kern, die K-Schale ist also nicht voll besetzt.

Das Heliumatom dagegen hat mit seinen zwei Elektronen eine voll besetzte K-Schale. Die auf die K-Schale folgenden Schalen sind aber ebenfalls nicht besetzt. Bei den Atomen anderer Elemente sind außer der K-Schale auch die nächsten Schalen gefüllt.

Je nach der Art der Besetzung befindet sich das betrachtete Element oder atomare System in einem ganz bestimmten Energiezustand. Man muß sich darum die Schalen weniger als eine räumliche Anordnung der Elektronen um den Atomkern, sondern als eine Aussage der Energie des Elektrons im Atom oder - bei einem Element - des energetischen Zustands des Atoms oder des atomaren Systems vorstellen.

Die Energiewerte oder Zustände, die dabei eingenommen werden können, nennt man Energie-Niveaus.

Die Energie ist als Begriff eine der universellsten Angaben. Im Zusammenhang mit dem Laser interessiert sie in der Form, die beim Aufbau der Atome bedeutungsvoll ist.

Gemeint ist die (potentielle) Bindungsenergie, mit der die einzelnen Elektronen gemäß den Vorstellungen des Atommodells an den Atomkern gebunden sind. Man verwendet für sie das Formelzeichen E und gibt ihren Wert in Elektronenvolt (eV) an.
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Stört man dieses thermische Gleichgewicht, so kann ein Übergang der Atome von einem in das andere Energieniveau stattfinden. Bei einem solchen Übergang wird entweder elektromagnetische Strahlung frei oder elektromagnetische Strahlung absorbiert, je nachdem, ob ein Übergang von einem niederen Niveau zu einem höheren geschieht oder umgekehrt.

• Anmerkung : Hier in dieser rudimentären Beschreibung fehlt, daß dieser Übergang von einem Energieniveau in ein anderes Energieniveau nur in Sprüngen von ganzen Stufen funktioniert und - ganz wichtig - nicht fließend ist. In Professor Fischers Buch ist darum die Erklärung vom sogenannten Quantensprung sehr verständlich erläutert.

Die Frequenz der Strahlung und die Energie sind nach dem von Albert Einstein im Jahre 1905 angegebenen Gesetz

Delta E = h x f (2)

miteinander verbunden. In dieser Gleichung ist "h" das von M. Planck im Jahre 1900 entdeckte Wirkungsquantum, eine Konstante mit dem Wert 6,62 • 10 hoch34 Wsec *2).

Die Gleichung (2) sagt aus, daß nur Energie der Frequenz f absorbiert werden kann, wenn die Energie der Strahlung gleich dem Unterschied der beiden diskreten Energiezustände E2 und E1 - also (E2-E1) - ist, oder umgekehrt, daß nur Strahlung der Frequenz f emittiert werden kann, sofern dem System die Energie Delta E = E2-E1 zugeführt wird.

Die Bereitschaft einzelner Atome des Systems, von einem in einen anderen Energiezustand überzugehen, hängt von der Besetzungsdichte der Energie-Niveaus ab. Bei genügender Besetzung des Niveaus E2 können Atome unter Abgabe einer Strahlung spontan in das Niveau E1 „herunterpurzeln". Man spricht in einem solchen Fall von einer spontanen Emission.

Die "induzierte Emission" von Strahlung (Bild 6c) ist ein ähnlicher Vorgang zur "spontanen Emission", denn es findet ebenfalls ein Übergang von einem höheren zu einem niederen Niveau statt. Nur erfolgt dieser Übergang nicht unvermittelt, also spontan, sondern induziert oder - wie man häufig auch sagt - (künstlich und gewollt) angeregt oder stimuliert.

Nach Einstein braucht die beim Übergang von einem höheren zu einem niederen Energie-Niveau auftretende Emission von Strahlung nämlich keineswegs zufällig zu sein. Man kann den Übergang und damit die Strahlung auch durch eine Energiezufuhr einleiten, indem man in das obere Niveau einen Energiebetrag einstrahlt, der der Differenz - der beiden Energie-Niveaus, also Delta E = E2-E1, entspricht.

Ein Atom ist zudem dann in gleicher Weise bereit, bei einer auftreffenden Strahlung von einem tieferen Niveau in ein der Strahlungsfrequenz entsprechendes höheres Niveau zu gehen (= aufzusteigen ?), wie von einem höheren zu einem niederen Niveau abzusteigen, wenn es gerade im höheren Niveau war.

Mit wenigen Atomen läßt sich die induzierte Emission von Strahlung praktisch nicht auswerten. Erst eine höhere Anzahl ergibt einen nützlichen Effekt. Vor allem muß das höhere Niveau eine größere Besetztzahl aufweisen als das niedere. Erst dann findet die eingestrahlte Energie mehr Atome im angeregten Zustand vor als im Grundzustand.

Den Vorgang, mit dem man eine höhere Besetztzahl der oberen Energie-Niveaus erreicht, nennt man Pumpen.
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Bei der induzierten Emission erfolgen die Übergänge nicht ungeordnet, wie z. B. bei der Lichtemission bisheriger Lichtquellen. Die eingestrahlte Welle der Frequenz f2;3 beim Laser zwingt alle an der induzierten Emission von Strahlung beteiligten Atome zum Gleichtakt.

Die Übergänge von E3 nach E2 sind in Phase, wie man sagt.

Voraussetzung dafür ist aber - wie erwähnt -, daß ein Lasermaterial (Resonator) verwendet wird, dessen atomares System diskrete Energie-Niveaus aufweist, die den geschilderten Pumpvorgang zulassen.

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Aus der großen Fülle der Fachliteratur über Laser und ihre Anwendungen wurde hier nur eine enge Auswahl für die Leser dieser einführenden Aufsatzreihe getroffen.
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1. [1] Hecht, K.: Einiges zur Physik der Laser. Der mathematische Unterricht, Bd. XVII, Heft 3, Seite 101...110.
2. [2] WeizeJ, W.: Einführung in die Physik, Band III, Optik und Atomphysik. BI-Hochschultaschenbuch Band 5.
3. [3] Sommerfeld, A.: Atombau und Spektrallinien.
4. [4] Physikalische Grundlagen moderner Molekularverstärker-Elektronik. Heft 48 der TR-Reihe, Hallwag-Verlag.
5. [5} Piper jr., N. B.; Herstellung und Aufbau optischer Laser-Rubinstäbe. Elektronik 12 (1963), Heft 1, Seite 15...18.
6. [6] Kronenberg, M.: Laser - ein neues Werkzeug der nahen Zukunft?
7. TZ für praktische Metallbearbeitung . 57 (1963), Seite 129...135. [7] Doeckel, R.: Laser und Laser-Lampen. Elektro-Jahr 1964.
8. [8] Bowness, C. und Missio, D. V.: Pulsed Solid State Lasers. Electronic Progress, Vol. VII (1963), Nr. 4, Seite 3...6.
9. [9] PhiJippi, A.: Ammoniak und Rubin. Elektronik 12 (1963), Nr. 3, Seite 65.
10. [10] Aschmoneit, E.-K.: Kommt der Dioden-Laser? Elektronik 12 (1963), Nr. 3, Seite 78.
11. [11] Paananen, R. A.: Gas Phase Lasers. Electronic Progress. Vol. VII (1963), Nr. 4, S. 7...11.
12. [12] Stabiler Gas-Laser mit kleinen Abmessungen. Elektronische Rdsch. 17 (1963), Nr. 4, S. 185...186.
13. [13] Stößer, W.: Weitverkehrsnachrichtenübertragung über künstliche Erdsatelliten. Elektronische Rdsch. 18 (1964), Nr. 2, Seite 67 ... 70.
14. [14] Holzwarth, H.: Neue Verstärkungsprinzipien für die Nachrichtentechnik. Elektrotechn. Zeitschr., Ausg. A, Band 83 (1962), Heft 26.
15. [15] Früngel und Patzke H.G. • Laser für die Werkstoffbearbeitung - VDI-Z. 106 (1964), Nr. 18, Seite 787...791.

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Im Vorjahr beschäftigten sich, einer amerikanischen Untersuchung zufolge, 367 Organisationen in der westlichen Welt mit Arbeiten auf dem Lasergebiet. Die Bezeichnung „Organisation" steht hier nicht von ungefähr, weil der Kreis der mit Laser Befaßten vielfältig ist. 257 sind industrielle Unternehmen, 75 gehören dem Bereich der nicht auf Gewinn bedachten Forschung und Entwicklung an (Universitäten, Institute usw.), und 35 sind staatliche und militärische Stellen.

Von den 257 Industriefirmen wendeten sich immerhin schon 151 vorwiegend der kommerziellen Auswertung des Lasers durch Bau und Verkauf entsprechender Einrichtungen zu; die übrigen widmen sich der Forschung, der Entwicklung und der Applikation - und zwei sind Beratungsfirmen für Laseranwendung.

Die erwähnte amerikanische Untersuchung fand auch heraus, was man (an Geld) in der westlichen Welt für die Laserentwicklung im Vorjahr ausgegeben hat. Es waren 97 Millionen Dollar oder rund 390 Millionen DM. Die Hauptlast trugen selbstverständlich jene Unternehmen, die Laser verkaufen wollen; auf sie entfielen 53% der Gesamtsumme.

Laser, so sagen die Amerikaner, ist zwar noch ein Abenteuer, vor allem was seine wirtschaftliche Ausnutzung angeht, aber immerhin schon eine „100-Millionen-Dollar-Industrie".

Unsere Reihe Einführung in die Lasertechnik wird zum Abschluß viele Anwendungsarten aufzählen. Aber das Gebiet ist so breit geworden, daß Vollständigkeit nicht erwartet werden darf, zumal sozusagen täglich Neues hinzukommt. Natürlich haben sich die spektakulären Erwartungen der ersten Zeit abgekühlt; Laser ist wirklich nicht das Allheilmittel für oder gegen alles, was der Techniker bislang nicht schaffte.

Aber der kohärente "Lichtstrahl" ist drauf und dran, eine stille Revolution auf vielen Gebieten einzuleiten. Das gilt auch für unser Fernsehen, obwohl den ersten Überlegungen und tastenden Versuchen wohl erst sehr viel später handfeste, für jedermann sichtbare Taten folgen werden. Die Filmübertragung im Fernsehstudio mit dem Laserstrahl anstelle des flyingspot-Systems liegt nahe, und die ersten Nachrichten über die Szenenabtastung mit Laserlicht im Infraroten („Fernsehen bei Dunkelheit") wurden veröffentlicht.

Fast sensationell muten die Andeutungen an, daß man auf dem Umweg über Hologramme - das sind Fotoaufnahmen ohne Linse mit einer bisher unbekannten perspektivischen und plastischen Wirkung unter Ausnutzung der Wellenstruktur des Lichtes - zu einem plastischen Farbfernsehverfahren, selbstverständlich ohne die heute benutzte Farbbildröhre, kommen kann.

Das Fernsehbild, oft als „Fenster zur Welt" bezeichnet, bekäme dann wirklich den Charakter und einige der Eigenschaften eines Fensters zur gesendeten Szene: Die Gegenstände auf dem Schirm neuer Art zeigen sich unter einem anderen Blickwinkel, wenn der Zuschauer seinen Standort verändert oder den Kopf dreht.

Natürlich ist das noch ganz leise und entfernt gespielte Zukunftsmusik. Aber die Entwicklung des Gas-Lasers mit Dauerstrahl (CW-Laser), der also nicht impuls-förmig, sondern ständig verfügbar ist, deutet viele Möglichkeiten an, von denen eine ganze Anzahl schon verwirklicht wurden, andere sind noch im Laborzustand.

Beispielsweise hat man Licht als Informationsträger in der Datenverarbeitung noch nicht verwendet, obwohl optoelektronische Vorrichtungen manchen Vorteil versprechen. Der Laserstrahl jedoch vermag - vielleicht - einmal den optischen Computer zu realisieren. Laser als ein Hilfsmittel für das Fluchten von Abraumbaggern ist bekannt, und bald wird man Ölleitungen ebenfalls mit einem Laserstrahl als Leitlinie verlegen. Dann ist es nur noch ein Schritt für seine Verwendung beim Errichten von Hochhäusern, auf Schiffswerften und im Tunnelbau. Entfernungs- und neuerdings Geschwindigkeitsmeßgeräte mit Laser sind bekannt, ebenso Laser als Werkzeug und als Hilfsmittel in der Heilkunde.

Mit dem Laser als Träger von Nachrichten und Informationen wird schon lange experimentiert; hier gibt es allerdings Schwierigkeiten bei der Modulation des Laserstrahls mit Frequenzen von > 100 MHz und durch die Einflüsse der Atmosphäre, so daß man letztlich wieder daran erinnert wird, daß Laser nichts anderes als Licht ist.

Karl Tetzner im Frühjahr 1966

• Anmerkung aus 2020 : Das war zwar ziemlich visionär für seine Zeit, was der Karl Tetzner da zusammengetragen hatte, aber einen Teil davon haben die Wissenschaftler bereits entwickelt.

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