Dezember 1958: Erfindung des Lasers

Charles Townes

Arthur Schawlow

Hin und wieder kommt es zu einem wissenschaftlichen Durchbruch, der das tägliche Leben revolutioniert. Ein Beispiel hierfür ist die Erfindung des Lasers, der für Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung steht. Nur wenige Menschen erkannten zum Zeitpunkt seiner Erfindung, dass es sich als ein so nützliches (und lukratives) Gerät erweisen würde, aber der Laser startete letztendlich ein neues wissenschaftliches Feld und öffnete die Tür zu einer heutigen Multi-Milliarden-Dollar-Industrie.

Das Prinzip des Lasers stammt aus dem Jahr 1917, als Albert Einstein zum ersten Mal die Theorie der stimulierten Emission beschrieb, aber das praktische Gerät hat seine Wurzeln in den 1940er und frühen 1950er Jahren, insbesondere die Arbeit an der Mikrowellenspektroskopie – ein leistungsfähiges Werkzeug für die Entdeckungeigenschaften einer Vielzahl von Molekülen – von Physikern Charles Townes, Arthur Schawlow und anderen, und die anschließende Erfindung des Maser (Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung).

Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs war Townes fasziniert von der Möglichkeit, Gase mit stimulierter Emission für die Molekülspektroskopie zu untersuchen. Als die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung kürzer wurde, wurden ihre Wechselwirkungen mit Molekülen stärker, was sie zu einem leistungsfähigeren spektroskopischen Werkzeug machte. Townes und Kollegen von der Columbia University demonstrierten 1953 einen funktionierenden Maser, zwei Jahre nachdem ähnliche Geräte von Forschern der University of Maryland und der Lebedev Laboratories in Moskau unabhängig erfunden worden waren.Townes erkannte jedoch, dass die Wellenlängen von infrarotem und optischem Licht, weil sie kürzer waren, noch leistungsfähigere Werkzeuge für die Spektroskopie sein würden, und erwähnte die Idee, das Maser-Prinzip auf kürzere Wellenlängen auszudehnen Schawlow bei einem Besuch in Bell Labs. Schawlow kam auf die Idee, einen Satz Spiegel an jedem Ende des Hohlraums des Geräts anzuordnen, um das Licht hin und her zu reflektieren, wodurch die Verstärkung von Strahlen, die in andere Richtungen springen, eliminiert wird. Er dachte, dass dies es ihnen ermöglichen würde, die Abmessungen so anzupassen, dass der Laser nur eine Frequenz hat, die innerhalb einer bestimmten Linienbreite ausgewählt werden kann, und dass die Spiegelgröße so eingestellt werden kann, dass selbst geringfügige Bewegungen außerhalb der Achse gedämpft werden können. Er schlug auch vor, bestimmte Festkörpermaterialien für die Laser zu verwenden.Acht Monate später schrieben die beiden Männer ein Papier über den Proof of Concept für ihre Arbeit, das in der Dezember-Ausgabe 1958 von The Physical Review (Vol. 112, Nr. 6, S. 1940-1949) und erhielt zwei Jahre später ein Patent für die Erfindung des Lasers – im selben Jahr wurde der erste funktionierende Laser von Theodore Maiman bei der Hughes Aircraft Company gebaut. Townes erhielt 1964 den Nobelpreis für Physik für seine grundlegenden Arbeiten in der Quantenelektronik, die die Grundlage des Maser / Laser-Prinzips bildeten. Schawlows Anerkennung kam viel später; Er erhielt 1981 den Nobelpreis für seine Beiträge zur Entwicklung der Laserspektroskopie.Während Townes und Schawlow aufgrund ihres Papiers von 1958 und des anschließenden Patents die Namen sind, die am häufigsten mit der Erfindung des Lasers in Verbindung gebracht werden, leisteten zahlreiche andere wichtige Beiträge. Vielleicht ist das der Grund, warum sich die Frage, wer den Laser wirklich erfunden hat, als ziemlich strittig erwiesen hat, was zum großen Teil auf die Bemühungen von Gordon Gould, einem Wissenschaftler an der Columbia und später bei der Technical Research Group (TRG), zurückzuführen ist. Ein Eintrag über seine ersten Ideen für den Laser wurde vom November 1957 datiert und notariell beglaubigt. Gould kämpfte jahrzehntelang, und 1973 entschied das US-amerikanische Zoll- und Patentberufungsgericht, dass das ursprüngliche Patent, das Schawlow und Townes erteilt wurde, zu allgemein war und nicht genügend Informationen lieferte, um bestimmte Schlüsselkomponenten herzustellen. Gould erhielt schließlich Patentrechte und erhielt 1988 sein viertes und letztes Patent auf Laser.Obwohl es ein bemerkenswerter technischer Durchbruch war, hatte der Laser in seinen frühen Jahren nicht viele praktische Anwendungen, da er nicht stark genug für den Einsatz in strahlbasierten Waffen war und seine Fähigkeit, Informationen durch die Atmosphäre zu übertragen, stark behindert wurde durch seine Unfähigkeit, Wolken und Regen zu durchdringen. Aber es dauerte nicht lange, bis die Forscher die ersten Laservisiersysteme und die ersten Werkzeuge für die Laserchirurgie entwickelten.Heutzutage sind Laser auf dem kommerziellen Markt allgegenwärtig und werden in CD-Playern, in der Augenkorrektur, bei der Entfernung von Tätowierungen, in industriellen Montagelinien, in Supermarktscannern, in der optischen Kommunikation und in der optischen Datenspeicherung eingesetzt.

Weiterführende Literatur:

Bromberg, Joan L., „Die Geburt des Lasers“, Physics Today, Oktober 1988, S. 26-33.“A Laser Patent That Upsets the Industry“, Business Week, 24.Oktober 1977, S. 121-130.Hecht, Jeff, „Den Laserpatentkrieg gewinnen“, Laser Focus World, Dezember 1994, S. 49-51.