Laser

 

Das Wort LASER steht für die englische Bezeichnung 'Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation', was auf deutsch so viel wie `Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung' heißt. Ein Laser erzeugt elektromagnetische Strahlung, z.B. sichtbares Licht, auf eine ganz besondere Art und Weise. Diese elektromagnetische Strahlung kann man sich zunächst einmal auch als einen Strahl von Lichtteilchen, sogenannten Photonen, vorstellen; unabhängig davon, ob sie nun von einem Laser oder einer herkömmlichen Lichtquelle stammen. Photonen haben keine Masse und bewegen sich mit der höchsten uns bekannten Geschwindigkeit, der Lichtgeschwindigkeit. Licht bzw. seine Photonen benötigen für den Weg von der Sonne zur Erde nur acht Minuten, von der Erde zum Mond brauchen sie gerade einmal 2,5 Sekunden.

Licht kann eine wohl definierte "Farbe" besitzen, welche durch seine Wellenlänge bestimmt wird. Die Farbe kann für uns auch unsichtbar sein. Die Wellenlänge ist umgekehrt proportional zur Energie der Photonen, was bedeutet, dass je kürzer die Wellenlänge ist, desto höher ist die Energie. Die typischen Wellenlängen für sichtbares Licht sind so kurz, dass sie in Nanometern (abgekürzt nm) gemessen werden, wobei ein Nanometer dem Milliardstel eines Meters entspricht!

GEO 600 Lasersystem

Das Lasersystem von GEO 600. Bildquelle: Albert Einstein Institut Hannover

Normale Lampen oder natürliche Lichtquellen erzeugen meist einen Mix aus Photonen verschiedener Wellenlängen, die sich in alle möglichen Richtungen ausbreiten. Ein Laser hingegen ist eine sehr spezielle Lichtquelle, die es ermöglicht, dass alle von ihm ausgesandten Photonen aufeinander abgestimmt exakt die gleiche Wellenlänge besitzen und in exakt die gleiche Richtung fliegen. Dies ist für zahlreiche Anwendungen von Nutzen, z.B. wenn sehr fein definierte Lichtstrahlen gebraucht werden.

Auch im Alltag benutzen wir ständig Laser, ohne dass uns dies eigentlich bewusst ist. Laser kann man z.B. im ganzen Haus finden: ein DVD-Player nutzt einen roten Laser (Wellenlänge 640 nm), ein Blu-Ray-Player nutzt einen blau-violetten Laser (405 nm) und ihr CD-Laufwerk im Computer braucht ebenfalls einen Laser, um CDs lesen und brennen zu können. Rubinlaser (694 nm) werden für die Entfernung von Tattoos verwendet, andere Laser kommen bei Augenoperationen, dem Lesen von Barcodes oder der Vermessung von Räumen zum Einsatz. Diese Liste ließe sich noch lange fortsetzen.

Wir nutzen Laser, um sehr präzise Messungen zu machen. Da sich die Strahlen des Lasers über weite Strecken nicht wesentlich verbreitern, sind sie ideale Lichtquellen für die Interferometrie. Ein Interferometer benötigt einen Lichtstrahl, den es aufspaltet und dann wieder zusammenführt, wobei wir von dem dabei entstehenden Interferenzmuster den Weglängenunterschied der beiden aufgespaltenen Teilstrahlen ableiten können (siehe Abschnitt Interferometrie). Um diese Messungen überhaupt machen zu können, müssen wir sicher gehen, dass die Teilstrahlen bei ihrer Überlagerung immernoch wohl definierte Strahlen sind. Nehmen sie einmal den Lampenschirm einer Lampe ab und richten sie diese in einem kurzen Abstand auf eine Wand. Sie werden einen großen weißen Leuchtfleck sehen. Wenn sie sich nun von der Wand entfernen, wird der Fleck größer und sie können kaum seine Kanten ausmachen. Wenn sie sich schließlich weit genug von der Wand weg bewegt haben, können sie überhaupt keine erkennbare Form mehr beobachten. Wenn sie dies hingegen mit einem Laserpointer wiederholen, werden sie feststellen, dass sie sich auf die andere Seite des Zimmers bewegen können, ohne dass sich der Lichtstrahl merklich verändert. Dies ist nur ein Grund dafür, dass wir Laser für unsere Experimente bevorzugen.

Laser können außerdem einen sehr fein fokussierten und rauschfreien Lichtstrahl erzeugen, was durch die sogenannte "Stimulierte Emission" ermöglicht wird. Dazu können sie sich die Processing-Animation Stimulated Emission anschauen, die ihnen die Funktionsweise eines Lasers vermittelt:

In Gravitationswellendetektoren kommen typischerweise spezielle Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm zum Einsatz. Diese sind zwar unsichtbar für uns, können aber trotzdem bleibende Augenschäden verursachen, weshalb während der Arbeit mit ihnen stets Schutzbrillen getragen werden müssen. Laserpointer, wie wir sie z.B. für Vorträge nutzen, besitzen eine Leistung von weniger als einem Milliwatt, CD/DVD-Brenner arbeiten bei 100-250 Milliwatt und industrielle Anlagen zum Laserschneiden erzeugen etwa 1,5 Kilowatt. Die Leistung des Hauptlaserstrahls eines Gravitationswellendetektors muss auf einen sehr kleinen Toleranzbereich eingestellt sein: Ist sie zu klein, dann schwankt die Laserintensität zu stark und die Empfindlichkeit ist zu gering. Ist die Leistung des Laserstrahls hingegen zu hoch, kann dies dazu führen, dass er die Spiegel im Interferometer leicht verschiebt bzw. verkippt und sich die zurücklaufenden Teilstrahlen dadurch nicht mehr ideal überlagern. Ohne perfekte Interferenz können wir auch keine Gravitationswellen nachweisen.