Psst! Leise schleichen Sie durch das Museum, in der linken Hand die Mona Lisa. Als Sie plötzlich ungewollt den geraden, dünnen, unsichtbaren Strahl eines Lasers unterbrechen, ertönen Alarmsirenen. Warum muss denn auch dieser Laserstrahl so schmal, gerade und unsichtbar sein?

Ein Laserstrahl ist wegen der technischen Konstruktionsweise eines Lasers so schmall. Laserlicht wird in einem Laser hin- und her reflektiert, und durch eine Öffnung an einem Ende des Lasers kann der Strahl die Konstruktion verlassen.

Laserlicht ist monochromatisch – nur eine Wellenlänge kommt vor. Wie alle Lichtstrahlen sind diese Laserstrahlen nur dann sichtbar, wenn sie auf Materie treffen, zum Beispiel Staubteilchen in der Luft. Laser sind Lichtquellen, deren Gemeinsamkeit im Entstehungsprozess des Lichts liegt, nämlich in der stimulierten Emission.

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Lasermodelle mit den verschiedensten Eigenschaften. Ein Laser besteht dabei immer aus einem optisch aktiven Medium, in dem das Licht erzeugt wird, und einem Resonator, der für die Eigenschaften des Laserstrahls, wie Parallelität oder Strahlprofil, verantwortlich ist.

Entstehung des Laser-Lichts:

Elektronen befinden sich in einem Atom in definierten Aufenthaltsbereichen – den Schalen – in denen sie den Atomkern umgeben. Im energieärmsten Zustand – dem Normalzustand befinden sie sich in den innerstmöglichen Schalen. Man spricht vom Grundzustand eines Elektrons.

Kommt es nun von außen zu einer ausreichend großen Energiezufuhr , wird das Elektronen so sehr “gestärkt”, dass es in die nächst höhere Schale “springen” kann. Das Elektron kommt in einen angeregten Zustand.

Der angeregte Zustand ist aber nicht stabil. Das e- fällt irgendwann von alleine wieder in seine ursprüngliche Schale zurück. Dies geschieht “zufällig”. Dabei wird das Energiequant (= Photon) wieder freigesetzt. Wenn dessen Wellenlänge der des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums entspricht, nennt man es Licht.

Beim Laser kommen zwei Prinzipien ins Spiel:

Die invertierte Besetzung: nicht nur einige, sondern besonders viele Elektronen werden in einen angeregten Zustand gebracht.

Die induzierte Emission: nicht nur zufällig fallen einige, sondern ausgelöst fallen alle Elektronen in den Grundzustand zurück und emittieren dabei das “Laserlicht” – durch Spiegeln wird der Effekt noch verstärkt.

Besonderheiten des Laserlichts:

Laserlicht ist wie jeder Lichtstrahl nicht im Dunkeln sichtbar, außer wenn es auf Materie trifft: auf Rauch etwa – so kann man im Museum als Dieb Laserstrahlen sichtbar machen, die als Alarmanlage installiert wurden.

Laserlicht ist besonders interferierfähig: Laserlichtwellen können sich verstärken oder abschwächen, wenn sie sich überlagern.

Laserlicht ist besonders einfärbig (monochromatisch). Die charakteristische Farbe, ob rot, blau oder grün, kommt von dem bestimmten Energiesprung, den Elektronen vom angeregten Zustand in den Grundzustand machen.

Laserlicht ist besonders intensiv: es kann viel Energie auf eine kleine Querschnittsfläche konzentrieren.

Wie funktioniert ein Helium-Neon-Laser?

Das ist der ersten Laser mit Dauerlicht, der 1961 gebaut wurden. Er besteht aus einem Helium-Neon Gasgemisch, das sich unter Druck in einem Glasröhrchen befindet. Durch Gasentladung (Hochspannung) werden Heliumatome in einen energetisch angeregten Zustand versetzt. Sie regen durch Stöße Neonatome an, und erreichen dort eine Besetzungsinversion: viele Elektronen erreichen einen energetisch angeregten Zustand. Dort fallen sie durch stimulierte Emission in den Grundzustand zurück und senden dabei das typische rote Licht eines Helium-Neon-Lasers mit der Wellenlänge rund 633 nm ab.

Animation

Eine Flash Animation, wie ein Helium-Neon Laser funktioniert, kann hier verfolgt werden. Und einen 5-min. Film, wie ein Laserstrahl entsteht, den gibt es hier.