11.1 Albert Einstein (1879–1955) war sicher der bedeutendste Physiker des 20. Jahrhunderts. Seine wichtigsten Erkenntnisse zur Natur des Lichts und zur Struktur von Raum und Zeit (Relativitätstheorie) machte er zwischen dem 26. und dem 40. Lebensjahr. 11.2 Aufbau des Rubinlasers: Ein kleiner Stab aus Rubin ist an den Enden parallel geschliffen und verspiegelt. Mit einer Blitzlichtlampe wird er beleuchtet. Nur das Licht, das im Kristall zwischen den Spiegeln hin und herläuft, ergibt schließlich einen parallelen intensiven Lichtstrahl, das Laserlicht. verspiegelte Seite halbverspiegelte Seite Blitzlichtlampe Rubinkristall Laserstrahl polierter Aluzylinder 11.3 Lasersystem, das in der Augenchirurgie verwendet wird. Der Laser – vom Forschungslabor zum Alltagsobjekt Die Geschichte des Lasers zeigt, wie aus „Geistesblitzen“ nach 40 Jahren ein intensives Forschungsgebiet entstanden ist. Im Laufe der Jahre (seit 1960) wurde der Laser entwickelt, der heutzutage in vielen Anwendungsgebieten – oft in winzigen Bauformen – unentbehrlich ist. Im Laserpointer, im CD/DVD-Player und im Strichcodeleser an der Supermarktkasse ist der Laser zum Konsumartikel geworden. Schritt 1: Am Beginn des 20. Jahrhunderts war die Frage „Was ist Licht?“ ein zentrales Forschungsthema der Physik. Einsteins Beitrag im Jahr 1905 war die „Erfindung“ der Lichtteilchen, der Photonen. Damit konnte er erklären, wie Licht Elektronen aus Metallen herausschlägt. Dieser Effekt bildet die Grundlage der Bildentstehung in digitalen Kameras. Ein Jahrzehnt später dachte Einstein (11.1) darüber nach, wie Atome Energie aufnehmen können, die sie später als Licht wieder abgeben. Dabei erkannte er, dass es möglich sein müsste, viele Atome in einem gleichzeitigen Lichtblitz strahlen zu lassen. Schritt 2: Lange schien es unmöglich, diese Idee praktisch umzusetzen. Erst im Jahr 1960 fanden zwei Forschergruppen in den USA unabhängig voneinander eine Lösung. Im Rubinlaser (11.2) sendet ein kleiner Rubinkristall einen gebündelten Strahl rotes Licht aus, im Helium-Neon-Laser wird ein Gasgemisch genutzt. Danach setzte eine rasante Entwicklung ein. Heutzutage gibt es eine Vielfalt von maßgeschneiderten Lasern. Allen ist jedoch eines gemeinsam: Das Licht, das sie abgeben, ist in einem engen Strahl gebündelt und daher sehr intensiv. Es hat jeweils nur eine Wellenlänge (Farbe). Das Wort Laser ist eine Abkürzung für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation und bedeutet „Lichtverstärkung“. Schritt 3: Sehr schnell wurden vielfältige Möglichkeiten für Anwendungen erkannt und weiterentwickelt. Sogenannte Femtosekunden-Laser senden intensive Lichtblitze mit einer Dauer von ungefähr 10−15 Sekunden aus, mit denen man z. B. die Zwischenschritte von chemischen Reaktionen beobachten kann. Einige Anwendungen In der Augenmedizin werden vielfältige Operationen mittels Laser durchgeführt (11.3). Die Ablösung der Netzhaut vom Augenhintergrund führt zur Erblindung. Mittels Laserlicht kann man die Netzhaut wieder fixieren. Bei Kurzsichtigkeit ist ein „Abschleifen“ der zu stark gekrümmten Hornhaut (durch Wegbrennen mittels Laserstrahl) eine Operation, die das Tragen einer Brille überflüssig macht. Die weltweit häufigste Augenoperation ist der Ersatz einer getrübten Augenlinse (Grauer Star) durch eine Kunststofflinse. Mittels Femtosekunden-Lasers wird die Linse freigelegt und zerteilt. Nach Absaugen der zerteilten Linse wird die Kunstlinse eingesetzt und mit der zuvor aufgeschnittenen Hornhaut abgedeckt. In der Chirurgie dient der Laser als Skalpell. Da Blutgefäße gleich wieder verschlossen werden, heilen Wunden bei Laseroperationen schnell. In der Materialbearbeitung hat sich sehr früh das Schneiden und Bohren von Werkstücken mittels Laser bewährt. Beim Laserschneiden verdampft das Material entlang des Schnitts. Es fallen keine festen Späne an. Mit der Laserpistole misst die Polizei Geschwindigkeiten im Straßenverkehr. Im Baugewerbe ersetzt der Laserentfernungsmesser das Maßband und ist wesentlich genauer. Ist es nicht erstaunlich, dass seit der ersten Landung auf dem Mond im Jahr 1969 die Distanz von der Erde zum Mond mittels Laser gemessen wird und auf wenige Zentimeter genau bekannt ist? Dabei konnte nachgewiesen werden, dass sich der Mond jährlich um etwa 3,5 cm von der Erde entfernt. Auch bei der Nutzung des Internets spielen Laser eine Rolle. Informationen werden in kurzen Lichtblitzen – von Lasern erzeugt – durch Kabel aus Glasfasern geleitet. Was wären schließlich ein Rock-Konzert oder die Linzer Klangwolke ohne eine Lasershow? Zeichnungen am Himmel mit Lichtstrahlen von leistungsstarken Lasern begeistern das Publikum. 11 Physik – um die Welt zu verstehen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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