Einen äußerst informativen und spannenden Nachmittag erlebten kürzlich rund 20 Mitglieder der Lese- und Erholungs-Gesellschaft beim Besuch des Instituts für Angewandte Physik der Universität Bonn. Dort informierte Professor Dieter Meschede die Zuhörer umfassend über das Thema „Licht und Laser: Hardware des 21. Jahrhunderts“. Meschede, Jahrgang 1954, in München promoviert und habilitiert, kam 1994 über das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und die Universität Hannover auf den hiesigen Lehrstuhl für Angewandte Physik. Neben seiner Forschung hält er seit geraumer Zeit im Wintersemester die beliebte Vorlesungsreihe „Physik für Großeltern“.Seine zentrale These lautete: Das 20. Jahrhundert war das Jahrhundert der Elektronik und der Halbleiter – das 21. Jahrhundert hingegen ist das Jahrhundert des Lichts und des Lasers.
Von James Bond zu den Eigenschaften des Lasers
Der mit vielen Schaubildern, Videosequenzen und Originaltönen illustrierte Vortrag begann mit einer bekannten Filmszene aus dem James-Bond-Klassiker „Goldfinger“ von 1964, in der ein Laserstrahl eine Stahlplatte durchschneidet. Meschede lobte die damalige Darstellung: Obwohl kurz nach der Entdeckung des Lasers gedreht, wurde physikalisch fast nichts falsch dargestellt – außer der Tatsache, dass die damaligen Laser noch gar nicht stark genug waren, um Stahl zu trennen.
Im Labor müssen LASER-Schutzbrillen ge
tragen werden - die Strahlen sind nicht nur für James Bond gefährlich!
Ausgehend vom Gegensatz zwischen einfachem Kerzenlicht und Laserlicht wurden die besonderen Charakteristika des Lasers erläutert. Ein Laser konzentriert Energie in Raum, Zeit und Farbe und zeichnet sich durch drei Eigenschaften aus:
- Bündelung (Kollineation)
- Einfarbigkeit (Monochromatie), die im Gegensatz zum Chaos des weißen Lichts perfekte Sinuswellen bildet
- Zeitliche Konzentration in Form von kurzen Pulsen
Mit diesen Prinzipien arbeiten Physiker schon seit Jahrhunderten: Antoine Lavoisier (1743–1794) fokussierte Sonnenlicht mit Linsen, um extreme Hitze zu erzeugen, und Isaac Newton legte durch die Zerlegung des Lichts in Spektralfarben die Basis für die Monochromatie. Am Beispiel von Natrium-Dampf-Straßenlampen wurde verdeutlicht, wie angeregte Materie Photonen abgibt und dadurch elektromagnetische Wellen aussendet, die das Auge als Licht wahrnimmt. Laserlicht ordnet sich in das Spektrum neben Radiowellen, Mikrowellen, Röntgen- und Gammastrahlen ein, ist jedoch rund 200.000 Mal höherfrequent als Mobilfunkwellen.
Meilensteine und historische Entwicklung
Nach physikalischen Meilensteinen wie dem Wechselstrom (1850), der Radiolangwelle (1900), dem Radar (1930) und der Mikwrowelle (1950) folgte der Durchbruch des Lasers. Das Grundprinzip der stimulierten Emission von Photonen durch Inversion war seit den 1920er-Anfahren bekannt. 1953 hatten Charles H. Townes und James P. Gordon die Idee, Stickstoffatome im Ammoniak zur Abgabe von Photonen zu stimulieren, wofür es 1964 den Nobelpreis für Physik gab.
Nach dem ersten Rubin-Laser durch Theodore Maiman im Jahr 1960 begann ein weltweiter Wettlauf um praktische Anwendungen. Gordon Gould prägte schließlich das Akronym Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Seither konzentriert sich die Forschung auf die Verkleinerung, die Erhöhung der Pulsdauer sowie die Mehrfarbigkeit – wie die Entdeckung der blauen LED durch Shuji Nakamura, die 2014 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde.
Vielfältige Anwendungen in der Moderne
Dank einer hervorragenden Energie-Licht-Effizienz von 50 % (ein mit einem Mikrowatt angeregter Laser besitzt die 100-fache Helligkeit von Sonnenlicht) und der exakten Fokussierung bis zur Grenze seiner Wellenlänge ist der Laser heute Allgegenwärtig. Die Anwendungen reichen von Netzhaut-Operationen in der Medizin über das Schweißen im Automobilbau bis hin zur globalen Datenübertragung. Mittels Lichtleitung durch Glasfaserkabel, die nur noch alle 100 Kilometer einen Signalverstärker benötigen, werden heute gigantische Datenmengen zwischen den Kontinenten transportiert.
Laborbesichtigung und Ausblick
Im Anschluss an den Vortrag konnten die Mitglieder in Kleingruppen die klimatisierten und staubgeschützten Labore des Instituts besichtigen und die komplexen Versuchsaufbauten direkt vor Ort bestaunen.
Zum Abschluss dankte Organisator Ferdinand Schäfer dem Referenten für die spannende und beeindruckende Zeitreise. Der Vortrag habe eindrucksvoll spürbar gemacht, wie physikalische Grundlagenforschung zu Entdeckungen führt, die weltweit Gesellschaft und Wirtschaft revolutionieren. (JH/GE/Foto: Spindler)