Photonik im Alltag

Der Siegeszug des Lichts

Vor 50 Jahren leuchtete zum ersten Mal ein Laser in einem US-Labor. Seither hat diese Form des Lichts einen unvergleichlichen Siegeszug erlebt – auch dank Innovationen aus Deutschland. Und das ist erst der Anfang.

Albert Einstein hat sich viele Gedanken über das Licht gemacht. Er glaubte, dass Licht aus Energiepaketen besteht. Beschießt man Atome mit solchen Lichtteilchen, werden die Atome „angeregt“. Beschießt man sie in diesem Zustand erneut, gibt das Atom zwei Photonen in gleicher Richtung ab. Auf diese Weise lässt sich Licht verstärken. Damit hatte Einstein das Grundprinzip eines Lasers entdeckt: die sogenannte stimulierte Emission.

Dem US-Physiker Charles Townes gelang es 1951, Einsteins Idee erstmals umzusetzen. Er baute ein Gerät, das allerdings Mikrowellen statt Lichtwellen verstärken konnte. In Anlehnung an Einsteins Theorie nannte er die Technik „Maser“ - Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Der Ehrgeiz der weltweiten Physikergemeinde war geweckt: Die Forscher wollten dasselbe auch mit Licht hinbekommen. Obwohl niemand so genau wusste, wie das funktionieren soll, war der Name für das Projekt schon gefunden: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, oder kurz: Laser.

Erst 1960 schaffte es der Amerikaner Theodore Maiman, Licht auf ähnliche Weise zu bündeln. Er nutzte das Mineral Rubin in Kombination mit einer Blitzlampe. Mithilfe von Spiegeln lenkte Maimann den Lichtstrahl immer wieder durch den Rubinkristall. Damit regte er immer mehr Atome an, die Lichtteilchen aussendeten. Das Ergebnis war ein intensiver, bisher nie gesehener Lichtstrahl. Maiman veröffentlichte mehrere Artikel, doch die Welt interessierte sich nur wenig dafür. Es dauerte Jahre, bis klar wurde, was mit Lasertechnik alles machbar ist. Selbst heutige Systeme funktionieren noch nach Maimans Prinzip: von der Materialbearbeitung in der Autoindustrie bis zur hochpräzisen Instrumenten in der Medizintechnik. Maiman fand zwar spät Anerkennung, den Nobelpreis erhielt er aber nie.

Mehr als 40 Jahre später ist der Laser aus der Forschung nicht mehr wegzudenken – und steht dennoch erst am Anfang. Erst 2005 ging ein "Laser-Nobelpreis" an einen deutscher Forscher, Theodor W. Hänsch, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Hänsch teilte sich den Preis mit zwei amerikanischen Kollegen. Gemeinsam entwickelten sie eine Technik, mit der sich Frequenzen von Licht mit bisher unerreichter Genauigkeit messen lassen – eine kleine Revolution. Je nach Farbe schwingt Licht mehrere Milliarden Mal pro Sekunde - viel zu schnell, um dies mit herkömmlichen Methoden zu zählen. Hänschs Technik ist eine Art optisches Getriebe, das die Frequenz in eine niedrigere übersetzt. Letztere kann gemessen werden. Die Physiker leiten daraus die ursprüngliche Frequenz einfach ab.

Für Arbeiten in der Frequenzkammtechnik verlieh Light-Alliance Mitglied ZEISS den Forschungspreis 2010 an Jun Ye von der Universität Colorado. Er hat mit seiner Gruppe die vermutlich bislang beste optische Atomuhr entwickelt. Experten gehen davon aus, dass sie die Zeit präziser messen kann als die Cäsium-Uhr des National Institute of Standards and Technology (NIST), die in den USA Zeit und Frequenz vorgibt. Jun Ye hofft, dass am Ende seine Uhr um den Faktor 100 besser sein werde. Die neue Messpräzision eröffnet der Forschung neue Türen: Frequenztechnik erleichtert beispielsweise die Suche nach Planeten. Astronomen entdecken sie meist nur indirekt durch Schwankungen, die ihre Anziehungskraft bei dem Stern verursacht, den sie umkreisen. Präzisere Instrumente könnten solche Schwankungen leichter erfassen.

An der Universität Hamburg ist man ebenfalls auf Rekordjagd. Professor Günter Huber, Leiter der Gruppe "Festkörperlaser" am Institut für Laserphysik, entwickelt Laser, die auf ytterbiumdotierte Kristallen basieren. Sie ermöglichen Leistungen, die bisher sonst nirgendwo erreicht wurden. "Unsere Ytterbium-Scheibenlaser halten den Weltrekord", sagt  Huber. "Mit einem Schmelzpunkt von fast 2.500 Grad lässt sich damit so gut wie alles effizient bearbeiten". In den Hamburger Laboren arbeitet man auch an einer neuen Generation von Head-Up-Displays - ein Anzeigesystem, das in die Windschutzscheibe von Autos Informationen projiziert. Autofahrer sehen Fahrzeuggeschwindigkeit, Motordrehzahl oder Abbiegehinweise des Navigationssystems direkt vor sich auf der Scheibe - sie müssen den Kopf nicht von der Fahrtrichtung abwenden. Bisherige Head-Up-Displays nutzen LED-Licht.

Solchen Innovationen von Hochschulen und Unternehmen ist es zu verdanken, dass die deutsche Laser-Industrie einen Anteil von 30 Prozent am Weltmarkt hat. Die Universität Hamburg listet auf ihrer Webseite fast 50 Institute in Deutschland auf, die Lasertechnologien erforschen. industrystock.com zählt mehr als 200 deutsche Hersteller von Lasertechnik, darunter Light-Alliance Mitglieder wie LIMO und Jenoptik. Der Bedarf an Innovation ist nach wie vor groß: Um auf dem Weltmarkt zu bestehen, müssen Laser künftig noch schneller, kräftiger und präziser sein. Fachkräfte in optischen Technologien werden also auch in der fernen Zukunft gefragt sein – sie können diese Entwicklungen mitgestalten.