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Die Arbeit, in der Schawlow und Townes ihre theoretischen Überlegungen zur Herstellung von Masern darlegten, die, statt im Mikrowellenbereich zu operieren, infrarote Strahlung oder gar sichtbares Licht produzieren sollten, erschien offiziell am 15. Dezember 1958.

Dieses Datum trägt jedenfalls die Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review, in der ihr wegweisender Artikel veröffentlicht wurde. Natürlich gab es vorher bereits Kopien des Aufsatzes, die im Sommer unter Kollegen kursierten - vor allem in den Bell Laboratories beziehungsweise an der Columbia University, dort waren Schawlow und Townes tätig -, und natürlich hatten die Autoren immer wieder Gespräche mit interessierten Doktoranden oder anderen Wissenschaftlern geführt, die Anregungen aufnahmen oder eigene Ideen beisteuerten.

Besondere Folgen hatten dabei Unterhaltungen zwischen Townes und seinem ehemaligen Doktoranden Gordon Gould, der in einem Büro auf demselben Gang in der Columbia University arbeitete.

Gould ist der Vorschlag für den Begriff »Laser« statt der umständlichen Bezeichnung »optischer Maser« zu verdanken.

Gould hat also als Erster das heute so berühmte "Akronym" aufgeschrieben, und zwar bereits 1957, als er zum ersten Mal über die Möglichkeit grübelte, sichtbares Licht durch Einsteins stimulierte Emission zu verstärken.

Sein Ausdruck »Laser« ist inzwischen derart akzeptiert worden, dass in einigen historisch orientierten Arbeiten die Reihenfolge der Terminologie schon einmal umgekehrt und der ursprüngliche Maser als (dann davon abgeleiteter) Mikrowellenlaser klassifiziert wird.

Spätestens mit dem Auftauchen von Gould war eine neue Dimension in die Wissenschaft und folglich in die Laboratorien gekommen, die erst den Maser und dann den Laser hervorbrachten - die Dimension des Geldes.

Gould hat von Anfang an jeden Zettel, auf dem er eine Idee skizzierte, datiert und durch einen Notar beglaubigen lassen. Townes und seine Kollegen aus dem sich seriös gebenden akademischen Bereich waren zwar mit ihren Einfällen ähnlich
vorgegangen - Townes hat sein auf der Parkbank ersonnenes Verfahren zur Trennung von angeregten Ammoniakmolekülen durch seinen Schwager testieren und also zeitlich fixieren lassen -, aber die beiden Grundlagenforscher dachten dabei eher an das Feststellen ihres Primats und damit an ihre Reputation.

Das erste Medium, dem ein Laserstrahl entlockt werden konnte, bestand aus einem Mineral, dessen chemischer Grundstoff Aluminiumoxid heißt, abgekürzt mit AL2 O3, was gewöhnlich keine Begeisterung auslöst. Das ändert sich aber, wenn dem Basismaterial etwas Chrom (Cr) beigemischt wird. Dann verfärbt sich das Mineral so, dass es zwischen Blassrot und Dunkelrot changiert.

Diese Zusammensetzung bekommt den Namen Rubin. Das ist ein begehrter Schmuckstein, dessen blaue Variante mit denselben Baumaterialien ebenso verlockt und Saphir heißt.

Ihm kann man seit 1986 Titan hinzufügen, und von dieser Kombination waren die Laserexperten begeistert. Titan/Saphir-Laser können mehr als nur Licht einer Wellenlänge erzeugen und extrem kurze Pulse abgeben.

Das dem Mineral hinzugefügte Chrom ist das Element, dem das Laserlicht entspringt, und seine Qualität verdankt sich der Tatsache, dass die Natur die Chromatome mit einer energetischen Eigentümlichkeit ausgestattet hat.

Chrom trägt als Element des Periodensystems die Ordnungszahl 24. Das heißt, dass es 24 Elektronen gibt, die sich um einen Kern tummeln, in dem sich unter anderem 24 positiv geladene Protonen aufhalten. Für unsere Überlegungen kommt es nur auf die Hülle an.

In ihr können sich die zwei Dutzend Elektronen so anordnen, dass es neben dem Grundzustand und einer durch Hinzufügung von Pumpenergie erreichbaren angeregten Form noch einen dritten Quantenzustand gibt, der sich durch eine Besonderheit auszeichnet.

Er ist metastabil, wie es heißt und womit ausgedrückt wird, dass er ziemlich langlebig ist. Und aus diesem Grund kann der Laserübergang von ihm aus erfolgen.

Der metastabile Zwischenstopp ist entscheidend. Mit seiner Existenz konnte das Problem überwunden werden, das von Anfang an bei den Überlegungen zum Bau von Lasern mitgespielt und zu der berichteten Skepsis Anlass gegeben hat, dass angeregte Elektronen es viel zu eilig haben, um wieder in den Grundzustand zu kommen.

Man befürchtete, dass ihre Verweildauer auf dem hohen Energieniveau so kurz sein könnte, dass keine oder kaum Gelegenheit zur stimulierten Emission gegeben sein würde.

Die dritte Ebene der Chrom-Atome - der von der Natur ermöglichte Zwischenstopp - hob diese Schwierigkeit auf und machte den Weg für das Laserlicht frei.

Zwar sprangen die hochgepumpten Elektronen nach der erhaltenen Energiezufuhr mehr oder weniger direkt auf ein tieferes Niveau, aber damit waren sie noch nicht im Grundzustand.

Und nach dem ersten Quantensprung ließen sie sich Zeit, bevor sie zum nächsten Quantensprung ansetzten und auf der untersten Ebene der Energieskala landeten.

Sie verharrten auf der mittleren Position lange genug, um hier der stimulierten Emission zugänglich und damit lasertauglich zu werden. Das heißt, der metastabile Zwischenzustand erlaubt es, die überwiegende Zahl der Licht aussendenden Atome (genauer: Ionen) auf einem Niveau zu versammeln, von dem aus die Quantensprünge erfolgen, die den Laserpuls ergeben.

Für diese Situation haben die Physiker den Ausdruck »Besetzungsinversion« eingeführt. Er drückt aus, dass es sich um eine Umkehrung der üblichen Verteilung handelt, bei der sich die Elektronen überwiegend im Grundzustand (mit seiner niedrigen Energie) aufhalten.

Als laseraktive Medien kommen nur Materialien in Frage, bei denen eine Besetzungsinversion herbeigeführt werden kann.

Damit nähern wir uns dem Bau der ersten Laser-Lichtquelle, der bald viele und selbst heute noch immer weitere Umsetzungen der Grundidee folgen, die alle ihre Eigenheit haben und zum Beispiel höchst unterschiedliche Lasermedien einsetzen.

Unverändert bleibt bei allen das Basisschema, das mit der Zufuhr von Energie beginnt, was bei den frühen Lasern als "optisches Pumpen" etwa durch ein Blitzlicht praktiziert wurde.

Die gelieferte Energie fließt vor allem dem eigentlichen Lasermedium zu - im hier zu schildernden ersten Fall ist dies das Chrom im Rubin-Kristall -, das auf diese Weise die passende Stimulation erfährt und die kohärente Strahlung freisetzt, die in einem Resonator verstärkt wird und den Weg nach außen findet.

Man kann sich dies anhand der Einstimmung von Instrumenten eines Orchesters auf einen gemeinsamen Ton veranschaulichen. Die Instrumente sind das Lasermedium, die von den Musikern durch Streichen oder Blasen mit Energie versorgt werden, und sie alle sollen den Kammerton "a" spielen.

Das ist die Wellenlänge, die der »Orchesterlaser« produzieren soll, was auch gelingt, nachdem die ersten Töne einige Male im Orchestergraben (dem Resonator) hin und her gewandert sind.

Wenn alle Instrumente in Ordnung sind, stimmen sie zuletzt klanglich überein. Das ganze Orchester spielt dann ein lautes und eindeutiges "a", das aufsteigt und seinen Weg ins Publikum findet.

Wenn die Musiker jetzt den ganzen Abend nur diesen einen Ton spielten, würden sie wie ein Laser operieren. Das "a" kann nämlich als Dauerton oder pulsartig gespielt werden, und genau diese beiden Möglichkeiten finden wir auch bei Lasern.

Sie können im Pulsmodus oder kontinuierlich betrieben werden, was Experten als Dauerstrich bezeichnen. Im ersten Fall wird die Energie stoßförmig, im zweiten durchgängig geliefert, so wie es Bläser oder Streicher auch können.

Nun aber zurück zu dem Rubin mit seinen hinzugefügten Chrom-Atomen, die im Kristallverbund ein äußeres Elektron abgeben und somit als Ionen vorliegen.

Auf die Idee, bei einem Laser mit drei Ebenen zu arbeiten beziehungsweise nach einem Medium mit drei Energieniveaus zu suchen, kam unter anderem dem aus Holland gebürtigen und in den USA tätigen Physiker Nicolaas Bloembergen. Dafür wurde ihm 1981 zusammen mit Schawlow der Nobelpreis für Physik verliehen.

Vor Bloembergen - aber ohne seine Kenntnis - hatten bereits die beiden erwähnten russischen Laureaten Prochorow und Basow vorgeschlagen, kohärente Strahlung mit drei Zuständen herzustellen, und wenn ihre theoretischen Ideen auch nicht so formuliert waren, dass sie unmittelbar in die Praxis umzusetzen waren, so stand denen, die einen Laser bauen wollten, damit doch eine neue Tür offen.

Es war dann der Amerikaner Theodore H. Maiman, der durch sie hindurchschreiten konnte - wenn auch nicht dort, wo man es erwartete. Wenn es damals Wetten auf das erste Laboratorium gegeben hätte, das den ersten funktionierenden Laser zustande bringen würde, wären die meisten auf die Wissenschaftler bei den Bell Laboratories abgegeben worden, die inzwischen von Manhattan nach New Jersey gezogen waren.

Hier mussten sowohl Laien als auch Experten die Favoriten erwarten. Die Laien deshalb, weil man bei Bell 1956 die Aufmerksamkeit der Welt auf sich gezogen hatte, nachdem drei ihrer Angestellten - John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley - für die Entwicklung des Transistors mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet worden waren.

Und die Experten, weil sie wussten, dass in den Bell Laboratories sich zum Beispiel Schawlow mit rosafarbenen Rubinen beschäftigte, in denen das Chrom über den erwähnten wichtigen mittleren Zustand verfügte, der metastabil ist und dadurch nutzbar wird.
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Der Sprung von dort in den Grundzustand setzt Energie frei, die als Licht mit der Wellenlänge von rund 694 Nanometern sichtbar wird und also rot ist.

Schawlow experimentierte mit dem rosa Schmuckstein, der sich von einer dunkelroten Variante bloß durch die Menge an Chrom unterscheidet.

Im rosafarbenen Rubin sind die Chrom-Ionen sehr weit voneinander entfernt und gehen keine Wechselwirkung ein. Im dunkelroten Rubin rücken sie so nahe zusammen, dass sie gegenseitig Einfluss auf ihre Energieniveaus nehmen.

Schawlow schaffte es jedoch nicht, ausreichend viele Chrom-Ionen so anzuregen, dass es zu der nötigen Inversion bei den Besetzungszahlen kam, und eines Tages verkündete er in aller Öffentlichkeit, dass es unmöglich sei, aus Rubin einen Laser zu bauen.

Er gebe seine Versuche jetzt auf. Es sei vergeudete Zeit. Unter seinen Zuhörern gab es allerdings mindestens einen Physiker, der sich davon nicht überzeugen ließ.

Schawlow war ja nicht der einzige Physiker, der sich bei den Bell Labs um einen Laserstrahl bemühte. Neben ihm beteiligte sich noch der 1926 in Teheran geborene Ali Javan an der Suche nach dem kohärenten Licht.

Der aus einer gut situierten Juristenfamilie stammende Javan war 1949 nach New York gekommen, hatte bei Townes promoviert und danach die Möglichkeit bekommen, bei Bell einzusteigen.

Dort lernte er Schawlows Schwierigkeiten einer ausreichenden Anregung des Rubins kennen und entwickelte daraufhin eine verblüffende Idee, die den Beginn einer eigenen Entwicklung markiert, an deren Ende die sogenannten Gaslaser stehen.

Statt kristalline Stoffe wie Rubine als Medium von Festkörperlasern einzusetzen, überlegte Javan, ob das anzuregende Medium nicht die Form eines Gases annehmen könnte.

Es war allgemein bekannt, dass sich das Edelgas Helium durch elektrische Spannung erhitzen ließ, was bedeutete, dass die Helium-Atome nach der Energielieferung anfingen, schneller hin und her zu rasen.

Man konnte weiter zeigen, dass diese Bewegungsenergie unter geeigneten Bedingungen auf Neon-Atome übertragen wurde, wenn die in passender Konzentration mit ihnen vermischt waren.

Die Neon-Atome (das laseraktive Gas) reagierten in dieser Anordnung, wie es zur Herstellung eines Lasers gebraucht wird: Sie gerieten durch diese Energiezufuhr in den gewünschten angeregten Zustand, und der erwies sich als so metastabil, wie es sich die Forscher in den Bell Laboratories nicht einmal in ihren Träumen vorgestellt hatten.

Der auf diese Weise anvisierte Helium-Neon-Gaslaser zeigte allerdings einen Nachteil, nämlich den, dass das Licht, das durch den in ihm stattfindenden Laserübergang frei wurde, nicht im sichtbaren, sondern - knapp daneben - im infraroten Bereich des Spektrums strahlte. Aber damit konnte man leben.

Tatsächlich sollte es Javan mithilfe einiger Kollegen im Gegensatz zu Schawlow gelingen, sein theoretisches Konzept in die Praxis umzusetzen, und im Dezember 1960 wurde ein erster Helium-Neon-Gaslaser aktiv.

Er sendete einen durchgehenden Strahl mit der Wellenlänge von 1153 Nanometern aus, was im Bereich von Infrarot liegt. Damit schafften es Javan und sein Team allerdings nur auf den zweiten Platz.
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Den Sieg im Rennen um den ersten Laser trug ein anderer Wissenschaftler davon. Den ersten kohärenten Lichtstrahl überhaupt hatte ein Forscher zuwege gebracht, der nicht bei den Bell Labs arbeitete, sondern in Kalifornien tätig war, und zwar an den "Howard Hughes Research Laboratories", die in Malibu - vor den Toren von Los Angeles und in der Nähe von Hollywood - lagen.

Die kalifornische Forschungseinrichtung gehörte zu dem Unternehmen "Hughes Aircraft", das 1936 von dem legendären und inzwischen vielfach im Film porträtierten Howard Hughes gegründet worden war und sich zu einem der größten amerikanischen Verteidigungs- und Luftfahrtunternehmen entwickelt hatte.

In den Hughes Research Laboratories hatte man natürlich mitbekommen, was in den Bell Labs und an den Universitäten in Hinblick auf die "Maser" passiert war.

Man wusste auch, welche Aktivitäten der umtriebige Gould entfaltete, der inzwischen mit der von der US-Regierung eingerichteten Agentur für fortgeschrittene Forschungsprojekte (Advanced Research Projects Agency, ARPA) kooperierte und also viel Geld vom Staat bekam.

Die funktionierenden "Maser" und der konzipierte "Laser" gehörten zu den viel versprechenden Projekten der späten 1950er Jahre, wobei die militärisch orientierte Förderung sich nicht primär an Waffen, sondern vor allem an neuen Kommunikationsmöglichkeiten und sensitiveren Radarsystemen orientierte.

Die Hughes Research Laboratories wollten nicht nachstehen, und so stellten sie 1957 Theodore H. Maiman mit dem Auftrag ein, einen Maser zu entwickeln, der nicht - wie das Original von Townes - mit einem Gas wie Ammoniak funktionierte, sondern stattdessen einen sogenannten Festkörper als Medium einsetzte, und die Wahl fiel dabei auf einen Rubinkristall.

Unter einem Festkörper ist alle Materie zu verstehen, die nicht gasförmig oder flüssig vorliegt, die also den festen Aggregatzustand bei Raumtemperatur - etwas mehr als 20 Grad Celsius - eingenommen hat.

Wasser ist unter diesen Vorgaben flüssig, es verdampft und wird gasförmig, wenn man es über 100 Grad erhitzt, und es gefriert und wird zu Eis, wenn man es unter 0 Grad Celsius abkühlt.

Eis ist ein Festkörper, ebenso wie Glas, Holz, Eisen oder eben ein Rubin, was leicht erkennen lässt, dass eine Festkörperphysik einen großen Aufgabenbereich hat.

Sie muss zum Beispiel erklären, warum manche Festkörper - wie Glas - zwar durchsichtig sind, dafür aber keinen Strom leiten, während es bei Metallen genau umgekehrt ist, sie leiten Strom, lassen aber kein Licht durch.

Wie hängen die Leitfähigkeit von Strom und Wärme zusammen?
Was haben beide Eigenschaften mit der Durchsichtigkeit beziehungsweise ihrem Gegenteil zu tun?

Er hatte sich schon früh mit Elektronik beschäftigt und über raffinierte Messungen an Helium-Atomen seine Doktorarbeit unter der Anleitung von Willis Lamb geschrieben, der 1955 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde.

In diesem Jahr bekam Maiman eine Anstellung bei der Flugzeugfirma Lockheed in Los Angeles und kurz darauf in den "Hughes Research Laboratories" in Malibu, in der man ihn mit der Aufgabe betraute, (Anmerkung : ab jetzt moderne Transistor-) Verstärker für Maser zu entwickeln, die für Flugzeuge geeignet waren.

Sie mussten einen geringen Rauschpegel aufweisen und möglichst zuverlässig funktionieren - und als zuverlässig galt damals der Einsatz von Festkörpern.
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Diese Einschätzung stammte aus der damals ein Jahrzehnt alten Erfahrung, dass Verstärker, die mit Transistoren arbeiteten, sich als wesentlich robuster und haltbarer als ihre Konkurrenten erwiesen, die noch mit Elektronenröhren konstruiert waren.

Transistoren setzen sich aus Festkörperelementen zusammen, und ihre Erfolgsgeschichte wollte man beim "Maser" wiederholen. Maiman machte sich ans Werk, und ihm gelang die praktische Variante eines Rubin-Masers, der wie andere Maser vor ihm als Verstärker der schwachen Signale geeignet war, die Radioastronomen aus dem Weltall empfingen.

Der Vorteil von Maimans Maser bestand darin, dass er bei höheren Temperaturen als die bisher bekannten Maser operieren konnte, die jeweils von flüssigem Helium gekühlt werden mussten.

Damit stößt man auf eine technische Schwierigkeit, die in der Geschichte der Laser immer wieder anzutreffen ist: die Wärme, die durch die Pumpenergie zustande kommt, da sie keineswegs vollständig zur Stimulation von Anregungszuständen führt.

Nur ein ziemlich kleiner Teil der dem Lasermedium von außen zugeführten Energie wird für die Lichtemission wirksam. Dem großen Rest bleibt nach den unumgänglichen physikalischen Gesetzen nichts anderes übrig, als die Anordnung aufzuheizen, die folglich gekühlt werden muss - was erneut Energie kostet und die Wirkungsbilanz des Lasers erheblich beeinträchtigt, was man aber wegen der Qualität seines Strahls hinzunehmen bereit ist.

Maimans Aufgabe am Ende der fünfziger Jahre bestand darin, relativ wenig Pumpenergie zu vergeuden, um möglichst wenig Wärme abführen zu müssen. So sah er sich gezwungen, sich höchst sorgfältig mit dem Spektrum von Rubin zu befassen, und dabei kümmerte er sich auch um den sichtbaren Bereich.

Er fasste seine Einsichten in einem Beitrag für die führende Fachzeitschrift "Physical Review Letters" zusammen, die sie allerdings erst im Juni 1960 publizierte - als Maiman bereits sehr viel weiter gekommen war und dem Rubin den ersten Laserstrahl entlockt hatte.

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Noch schrieb man das Jahr 1959, in dem die Welt der Maserforschung zu brodeln begann. »An air of excitement« - eine Atmosphäre von großer Aufregung und Gespanntheit breitete sich aus, und sie wurde fast mit Händen greifbar, als sich alle Experten und ihre Mitarbeiter Mitte September im luxuriösen Shawanga Lodge trafen, einem vornehmen Hotel in den Catskill Mountains, etwa 150 Kilometer nordwestlich von Manhattan gelegen.

»Quantum Electronics - Resonance Phenomena« hatte Townes das von ihm organisierte Treffen genannt, in dem laut Ankündigungsliste zwar niemand einen Vortrag hielt, in dessen Titel das Wort »Laser« vorkam, auf das aber trotzdem alle gespannt im Saal warteten.

Zu den Vortragenden gehörte auch Schawlow, der den von Gould längst eingeführten Begriff beharrlich ignorierte und weiterhin vom optischen Maser sprach.

Er wollte einen solchen Lichtverstärker zwar mit Rubin bauen, glaubte aber selbst nicht an einen möglichen Erfolg und nannte erneut ausdrücklich einen physikalischen Grund für seine Skepsis.

Seiner Einschätzung nach sollten sich stets hinreichend viele Chrom-Ionen im Grundzustand befinden, um all die stimulierenden Photonen, die sich durch Blitzlampen optisch hineinpumpen lassen, ein- und abfangen zu können, was jede Stimulation im Kern ersticken würde.

Maiman lauschte Schawlows Ausführungen, ohne von ihnen überzeugt zu werden. Irgendwie schien ihm die Logik des Kollegen nicht zu stimmen, der es für ausgeschlossen hielt, dass man nahezu alle Chrom-Ionen aus dem Grundzustand entfernen konnte - um die Inversion der Besetzungszahlen zu erreichen, die als unabdingbare Voraussetzung für den Lasereffekt erkannt worden war.

Man könne den Grundzustand nicht entleeren, so behauptete Schawlow im Shawanga Lodge, weil dies den Rubinkristall »ausbleichen« würde.
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In der Physik bedeutet »Bleichen« (»bleaching«), dass Atome oder Ionen durch energetische Anregung aus einem bestimmten Zustand entfernt worden und von diesem Niveau aus nicht mehr einsatzfähig sind. Sie können von dieser Position aus keine Quantensprünge mehr ausfahren, also Licht weder absorbieren noch emittieren.

Maiman wunderte sich: War das nicht genau das Ziel, das man gerade erreichen wollte, nämlich den Grundzustand auszubleichen?

Schawlows Präsentation schien "in sich" nicht stimmig zu sein, und Maiman sah keinen Grund, es nicht in seinem Laboratorium doch weiter mit Rubin zu versuchen.

Er wurde in dieser Absicht sogar bestärkt, nachdem ein klares Ergebnis des Treffens in den Catskill Mountains in der Einsicht bestand, dass ein geeignetes Lasermaterial nicht nur drei, sondern vier relevante Energieniveaus haben sollte.

Diese sollten sich aus einem Grundzustand und einem oberen Anregungszustand zusammensetzen, der nach einem geeigneten optischen Pumpen besetzt wurde.

Zwischen den beiden sollte ein metastabiles erstes (oberes) Laserniveau liegen, von dem aus die entscheidende Freisetzung von Lichtenergie erfolgte, und zwar nicht durch den direkten Übergang in den Grundzustand, sondern durch einen kleineren Quantensprung auf eine noch darüberliegende, weitere (untere) Laser-Ebene, die als insgesamt viertes Niveau einen Halt vor der Rückkehr in den Grundzustand bieten könnte.

Der rote Rubin stellt - genau genommen - ein solches System mit vier Energieniveaus dar, wobei alle Niveaus nur bei sehr tiefen Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt verfügbar sind.

Bei Zimmertemperatur nehmen die laseraktiven Chrom-Ionen so viel Wärmeenergie auf, dass sie beginnen, zwischen dem Grundzustand und der darüberliegenden Ebene hin und her zu schwanken, wodurch praktisch eine Situation mit effektiv drei Zuständen geschaffen wird.

Maiman hätte gern mit Material gearbeitet, in dem die Natur vier Quantenzustände verfügbar machte, aber die einzig damals greifbaren Stoffe mit dieser Qualität waren Gase.

Für deren Einsatz beziehungsweise für die dazu nötigen Umstrukturierungen im Laboratorium hatte Maiman weder Zeit noch Geld - und ebenso fehlte die entsprechende Erfahrung. Ihm blieb nur der hellere rosafarbene Rubin, in dem die Natur immerhin drei Energieniveaus zur Verfügung stellte, und die mussten jetzt reichen.

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