Lasertechnologien: Energieübertragung mit einem Laser

Vor gut 50 Jahren gelang es Theodore Maiman erstmals, einen Laserstrahl zu erzeugen. Mit dem Experiment begann der Siegeszug des "gebündelten Lichts".

Auch bei der Polizei wird die Lasertechnologie kräftig genutzt. Bild: reuters

Laserstrahlen können ein Flugzeug zum Absturz bringen - aber sie schaffen es offensichtlich auch, ein Fluggerät in der Luft zu halten. So ließ das Unternehmen LaserMotive, das sich auf Energieübertragung per Laser spezialisiert hat, vor kurzem auf der AUVSI Unmanned Systems Conference in Denver einen Modellhubschrauber stundenlang über dem Boden kreisen. Hierbei verfolgte ein sieben Zentimeter breiter Laserstrahl automatisch einen 22 Gramm leichten Helikopter und traf auf dessen Fotovoltaikzellen. Die Zellen produzierten sogleich elektrischen Strom, der den kleinen Motor des Hubschraubers antrieb.

Zurzeit ist die Flugdauer auf sechs Stunden begrenzt. Doch dies liegt lediglich am Antrieb - einem kleinen Bürstenmotor mit begrenzter Betriebsdauer. Bei einem robusten Fluggerät mit starkem Motor wäre eine nahezu unbegrenzte Flugdauer denkbar.

Nachdem der Physiker Theodore Maiman am früheren Hughes Research Laboratories, in Kalifornien, am 16. Mai 1960 erstmals einen Laserstrahl erzeugte, hatte es der Laser in den Anfangsjahren zunächst schwer. Wissenschaftler setzten ihn lediglich in wenigen Experimenten ein. Doch heute, fünfzig Jahre später, ist der Laser zu einem der wichtigsten Bestandteile unserer technisierten Welt geworden.

In Millionen Haushalten stehen CD- und DVD-Player, von denen jeder mindestens einen Halbleiterlaser enthält, der die digital gespeicherte Musikinformation ausliest.

Die weltweit verlegten Glasfaserkabel, die mithilfe von Lasern das Internet in Gang halten, könnten 23.000-mal den Globus umspannen. Mit einem Argon-Laser verschweißt der Augenarzt eine abgelöste Netzhaut. Das Licht von Farbstofflasern wird zu Krebsgeschwülsten geleitet. Sie wurden mit einem Farbstoff angefärbt, der das Laserlicht besonders gut aufnimmt. Auf diese Weise werden die Geschwulstzellen vernichtet.

Was ist das Besondere an der Lasertechnologie? Während das Licht der Sonne oder einer Glühbirne aus vielen Farben besteht und in alle Raumrichtungen abgegeben wird, strahlt der Laser Licht nur in derselben Farbe aus. Die Lichtteilchen laufen auch in gleicher Richtung und ihre Wellen bewegen sich im Gleichtakt.

Diese Eigenschaften, auch als Kohärenz bezeichnet, sind entscheidend für viele Anwendungen, beispielsweise den Datentransfer. Der Laser erlaubt es zudem, Licht mit extrem hoher oder niedriger Leistungsdichte exakt dosiert zu erzeugen. Der resultierende Strahl ist auch noch über große Entfernungen scharf gebündelt.

Obwohl es unzählige Lasersysteme gibt, funktionieren sie alle nach dem gleichen Prinzip. Es basiert auf Erkenntnissen von Albert Einstein, die dieser 1917 im Rahmen seiner Herleitung des Planck'schen Strahlungsgesetzes gewann. Atome kommen nur in bestimmten Energiezuständen vor. Normalerweise befinden sie sich in ihrem energieärmsten stabilen Zustand, dem Grundzustand. Trifft ein Lichtteilchen auf ein Atom, so überträgt es seine gesamte Energie auf das Atom.

Auf diese Weise können Atome in einen höheren Energiezustand versetzt werden. Physiker nennen dies "anregen". Man kann sich das wie ein Regal vorstellen, wo Bücher oben mehr Lageenergie haben als unten und beim Herausfallen ein lauteres Geräusch erzeugen.

Im Allgemeinen kann ein angeregtes Atom nicht beliebig lange in seinem energiereichen Zustand verbleiben. Nach einer bestimmten Zeit kehrt es spontan in den Grundzustand zurück, wobei es ein Lichtteilchen aussendet ("emittiert").

Nach Einstein ist auch eine stimulierte Emission möglich, wenn ein weiteres Lichtteilchen mit dem angeregten Atom in Wechselwirkung tritt. Dieses Teilchen bewirkt, dass das Atom in den Grundzustand zurückkehrt und die gespeicherte Energie in Form eines Lichtteilchens aussendet. Das abgegebene Licht hat dieselbe Richtung und Wellenlänge wie die aufgenommene Strahlung. Diese Erkenntnisse bildeten den Grundstein des Lasers und gaben ihm seinen Namen. Es ist ein Akronym für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation".

Ein Laser besteht aus einem optisch aktiven Medium, das von einem verspiegelten und teildurchlässigen Gehäuse umgeben ist, und einer sogenannten Pumpquelle, mit der sich das Medium anregen lässt. Durch Energiezufuhr werden die Atome im Lasermedium zunächst vom Grundzustand auf ein höheres Energieniveau gehoben. Gelingt es, die Teilchen für längere Zeit in diesem Zustand zu halten, kann man "pumpen": Durch erneute Energieeinstrahlung werden weitere Teilchen angeregt, bis sich insgesamt mehr Teilchen in einem angeregten Zustand als im energiearmen Grundzustand befinden. Fallen anschließend die Teilchen im Rahmen einer spontanen Emission wieder in den Grundzustand zurück, senden sie die freiwerdende Energie in Form von Lichtteilchen aus.

Zeitpunkt und Richtung sind da noch zufällig. Da Spiegel das Lasermedium begrenzen, wird die Strahlung reflektiert und durchläuft wiederholt das Medium, so dass andere angeregte Atome oder Moleküle durch stimulierte Emission ebenfalls in den Grundzustand fallen. Bei dieser stimulierten Emission entstehen kohärente, fein gebündelte Lichtstrahlen. Ist eine bestimmte Energieschwelle erreicht, können die Laserstrahlen durch die Öffnung des teildurchlässigen Gehäuses heraustreten.

Diese scharf gebündelten, räumlich und zeitlich gleich schwingenden Strahlen mit ihrer extrem hohen, präzise steuerbaren Strahlungsleistung werden in den verschiedensten Bereichen eingesetzt. Laser schneiden Bleche, beschichten und modellieren Werkzeuge oder erledigen Schweißarbeiten. In der Medizin dienen Laser als Skalpelle oder helfen bei der Diagnose von Hautkrebs.

Doch wie jede Technik kann der Laser auch gefährlichen Zielen dienen. Die US-Luftwaffe setzt fliegende Laserkanonen ein. Zu Beginn dieses Jahres zerstörte der "Airborne Laser" von einem Boeing-747-Flugzeug aus eine Rakete bereits in der Startphase. Der US-Marine gelang es, mit einem Festkörperlaser an Bord eines Kriegsschiffs, Drohnen aus der Luft zu holen. Bereits im letzten Jahr schoss das Surface Navy Laser Weapon System fünf Drohnen ab; allerdings befand sich die Laserkanone noch auf dem Land.

Auch für militärische Zwecke will LaserMotive die Flugdauer seiner Fluggeräte verlängern. Theoretisch kann der Laserstrahl ein Fluggerät beliebig lange mit Energie versorgen - der Laserstrahl muss nur passend ausgerichtet sein. Während ein mit Benzin, Akkus oder Brennstoffzellen angetriebener Militärjet irgendwann einmal von selbst abstürzt, bleibt ein Laserstrahlfluggerät somit immer angriffslustig.