Laser

Maser vor Laser

Die Ausnutzung der von EINSTEIN vorhergesagten stimulierten Emission zur Verstärkung elektromagnetischer Strahlung gelang zunächst dem amerikanischen Physiker Charles Hard TOWNES (1915 - 2015) im Jahre 1954 im Mikrowellenbereich. Das entsprechende Gerät wurde als MASER bezeichnet (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). TOWNES benötigte für sein Forschungsgebiet der Mikrowellenspektroskopie eine kompakte intensive Mikrowellen-Quelle. Wenn er die stimulierte Emission für diesem Zweck effektiv ausnutzen wollte, musste er ein Medium besitzen, in dem mehr Atome (bzw. Moleküle) in einem angeregten Zustand sind als in ihrem Grundzustand (man nennt dies Besetzungsinversion). Im Normalfall (thermisches Gleichgewicht) befinden sich jedoch mehr Atome (bzw. Moleküle) im Grundzustand als im angeregten Zustand.

Als Medium verwandte TOWNES in seiner Apparatur Ammoniak-Moleküle (NH₃). Um Besetzungsinversion in dem Medium zu erreichen, griff TOWNES zu einem Trick: Er sortierte mit Hilfe eines inhomogenen elektrischen Feldes die angeregten Ammoniak-Moleküle aus und leitete diese in einen Hohlraumresonator, in dem nun spontane und stimulierte Emission stattfinden konnte. Hat der Resonator eine geeignete Länge, so bildet sich in ihm eine stehende elektromagnetische Welle aus, von der ein Teil ausgekoppelt wird. Die den Maser verlassende Strahlung besaß bei Townes eine Wellenlänge von 12,7mm.

Nach Vollendung des Masers ging TOWNES daran eine im Prinzip ähnliche Strahlungsquelle für kürzere Wellenlängen (Infrarot, sichtbares Licht) zu schaffen. Zusammen mit Arthur SCHAWLOW arbeitete TOWNES in den Bell-Laboratorien an der Entwicklung des Lasers (LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Von ihnen stammt die Idee der Verwendung eines Festkörpers als Medium, welches zwischen zwei parallele Spiegel gebracht werden sollte. 1958 meldeten die beiden Forscher ihre Ideen als Patent an. TOWNES erhielt für seine Forschungen im Jahre 1964 den Nobelpreis für Physik.

MAIMAN baut den ersten Laser

Den ersten funktionierenden Laser baute allerdings ein anderer amerikanischer Forscher, nämlich Theodore MAIMAN (1927 - 2007) im Jahre 1960. Als Medium verwandte er einen künstlich hergestellten Rubinkristall, der von einer Blitzlampe zur Anregung der Atome umschlungen war (links im Bild). Die Veröffentlichung der Arbeit MAIMANs wurde von dem führenden Fachblatt "Physical review letters" abgelehnt, weil man zu dieser Zeit die Tragweite der Erfindung noch nicht abschätzen konnte. Hier die Originalarbeit von MAIMAN aus dem Jare 1960:

Stimulated optical radiation in ruby Schawlow and Townes1 have proposed a technique for the generation of very monochromatic radiation in the infra-red optical region of the spectrum using an alkali vapour as the active medium. Javan2 and Sanders3 have discussed proposals involving electron-excited gaseous systems. In this laboratory an optical pumping technique has been successfully applied to a fluorescent solid resulting in the attainment of negative temperatures and stimulated optical emission at a wave-length of 6943Å (Hinweis: 1Å = 1·10-10m); the active material used was ruby (chromium in corundum). A simplified energy-level diagram for triply ionized chromium in this crystal is shown in Fig. 1. When this material is irradiated with energy at a wave-length of about 5500Å, chromium ions are excited to the 4F2 state and then quickly lose some of their excitation energy through non-radiative transitions to the 2E state4. This state then slowly decays by spontaneously emitting a sharp doublet the components of which at 300°K are at 6943Å and 6929Å (Fig. 2a). Under very intense excitation the population of this metastable state (2E) can become greater than that of the ground-state; this is the condition for negative temperatures and consequently amplification via stimulated emission. Figure 1 Energy-level diagram of Cr3+ in corundum, showing pertinent processes To demonstrate the above effect a ruby crystal of 1-cm. dimensions coated on two parallel faces with silver was irradiated by a high-power flash lamp; the emission spectrum obtained under these conditions is shown in Fig. 2b. These results can be explained on the basis that negative temperatures were produced and regenerative amplification ensued. I expect, in principle, a considerably greater (~108) reduction in line width when mode selection techniques are used1. Figure 2 Emission spectrum of ruby: a, low-power excitation; b, high-power excitation I gratefully acknowledge helpful discussions with G. Birnbaum, R. W. Hellwarth, L. C. Levitt, and R. A. Satten and am indebted to I. J. D'Haenens and C. K. Asawa for technical assistance in obtaining the measurements. T. H. MAIMAN Hughes Research Laboratories, A Division of Hughes Aircraft Co., Malibu, California. 1. Schawlow, A. L., and Townes, C. H., Phys. Rev., 112, 1940 (1958). 2. Javan, A., Phys. Rev. Letters, 3, 87 (1959). 3. Sanders, J. H., Phys. Rev. Letters, 3, 86 (1959). 4. Maiman, T. H., Phys. Rev. Letters, 4, 564 (1960).

MAIMAN profitierte 40 Jahre nach seiner Erfindung selbst von einer Laseranwendung, wie die folgende Mitteilung der LMU-München aus dem Jahr 2000 zeigt:

Der als "Vater des Lasers" weltberühmte Wissenschaftler Dr. Theodore MAIMAN aus Vancouver (Kanada) ließ sich im Klinikum der Universität München Großhadern operieren. Prof. Dr. Dr. h.c. Hofstetter, Direktor der Urologischen Klinik führte den Lasereingriff an der Prostata erfolgreich durch. Theodore MAIMAN hat die Operation gut überstanden und wird in den nächsten Tagen nach Kanada zurückkehren, um seine mit Spannung erwartete Biographie vorzustellen.

Weiterer geschichtliche Hintergründe finden Sie bei www.bell-labs.com/history/laser.