1960 zu Gegenwart
Germany, U.S. and U.S.S.R.
Ein Laser ist ein Gerät, das Licht durch einen Prozess der optischen Verstärkung auf Basis der stimulierten Emission elektromagnetischer Strahlung aussendet. Der Begriff „Laser“ entstand als Akronym für „light amplification by stimulated emission of radiation“ (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung). Der erste Laser wurde 1960 von Theodore H. Maiman in den Hughes Research Laboratories gebaut, basierend auf theoretischen Arbeiten von Charles Hard Townes und Arthur Leonard Schawlow.
Im Jahr 1917 legte Albert Einstein die theoretischen Grundlagen für den Laser und den Maser in der Arbeit „Zur Quantentheorie der Strahlung“ durch eine Herleitung des Planckschen Strahlungsgesetzes, konzeptionell basierend auf Wahrscheinlichkeitskoeffizienten (Einstein-Koeffizienten) für die Absorption, spontane Emission und stimulierte Emission elektromagnetischer Strahlung.
Im Jahr 1928 bestätigte Rudolf W. Ladenburg die Existenz der Phänomene der stimulierten Emission und der negativen Absorption.
Im Jahr 1939 sagte Valentin A. Fabrikant die Nutzung der stimulierten Emission zur Verstärkung „kurzer“ Wellen voraus.
Im Jahr 1947 fanden Willis E. Lamb und R.C. Retherford eine scheinbare stimulierte Emission in Wasserstoffspektren und führten die erste Demonstration der stimulierten Emission durch.
Im Jahr 1950 schlug Alfred Kastler (Nobelpreis für Physik 1966) die Methode des optischen Pumpens vor, die zwei Jahre später von Brossel, Kastler und Winter experimentell bestätigt wurde.
Im Jahr 1951 reichte Joseph Weber eine Arbeit über die Nutzung stimulierter Emissionen zur Herstellung eines Mikrowellenverstärkers bei der „Institute of Radio Engineers Vacuum Tube Research Conference“ im Juni 1952 in Ottawa, Ontario, Kanada, ein. Nach dieser Präsentation bat RCA Weber, ein Seminar über diese Idee zu halten, und Charles Hard Townes bat ihn um eine Kopie der Arbeit.
Im Jahr 1953 produzierten Charles Hard Townes und die Doktoranden James P. Gordon und Herbert J. Zeiger den ersten Mikrowellenverstärker, ein Gerät, das auf ähnlichen Prinzipien wie der Laser arbeitete, jedoch Mikrowellenstrahlung anstelle von infraroter oder sichtbarer Strahlung verstärkte. Townes' Maser war nicht zu einer kontinuierlichen Ausgabe fähig.
Unterdessen arbeiteten in der Sowjetunion Nikolay Basov und Aleksandr Prokhorov unabhängig voneinander am Quantenoszillator und lösten das Problem der Systeme mit kontinuierlicher Ausgabe durch die Verwendung von mehr als zwei Energieniveaus. Diese Verstärkermedien konnten stimulierte Emissionen zwischen einem angeregten Zustand und einem niedrigeren angeregten Zustand freisetzen, nicht dem Grundzustand, was die Aufrechterhaltung einer Besetzungsinversion erleichterte. Im Jahr 1955 schlugen Prokhorov und Basov das optische Pumpen eines Mehrniveausystems als Methode zur Erzielung der Besetzungsinversion vor, was später eine Hauptmethode des Laserpumpens wurde.
Im Jahr 1957 begannen Charles Hard Townes und Arthur Leonard Schawlow, damals bei den Bell Labs, eine ernsthafte Untersuchung des Infrarotlasers. Während sich die Ideen entwickelten, gaben sie die Infrarotstrahlung auf, um sich stattdessen auf sichtbares Licht zu konzentrieren. Das Konzept wurde ursprünglich als „optischer Maser“ bezeichnet.
Gleichzeitig arbeitete der Doktorand Gordon Gould an der Columbia University an einer Doktorarbeit über die Energieniveaus von angeregtem Thallium. Als Gould und Townes sich trafen, sprachen sie über Strahlungsemission als allgemeines Thema; danach, im November 1957, notierte Gould seine Ideen für einen „Laser“, einschließlich der Verwendung eines offenen Resonators (später eine wesentliche Komponente des Lasergeräts).
Im Jahr 1958 reichten die Bell Labs eine Patentanmeldung für ihren vorgeschlagenen optischen Maser ein; und Schawlow und Townes reichten ein Manuskript ihrer theoretischen Berechnungen bei der Physical Review ein, das in jenem Jahr in Band 112, Ausgabe Nr. 6, veröffentlicht wurde.
Im Jahr 1958 schlug Prokhorov unabhängig die Verwendung eines offenen Resonators vor, das erste veröffentlichte Erscheinen (in der UdSSR) dieser Idee. Anderswo, in den USA, hatten sich Schawlow und Townes auf ein Laserdesign mit offenem Resonator geeinigt – anscheinend ohne Kenntnis von Prokhorovs Veröffentlichungen und Goulds unveröffentlichter Laserarbeit.
Auf einer Konferenz im Jahr 1959 veröffentlichte Gordon Gould den Begriff LASER in der Arbeit „The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“.
Goulds Notizen enthielten mögliche Anwendungen für einen Laser, wie Spektrometrie, Interferometrie, Radar und Kernfusion. Er entwickelte die Idee weiter und reichte im April 1959 eine Patentanmeldung ein.
Das US-Patentamt lehnte Goulds Anmeldung ab und erteilte 1960 ein Patent an die Bell Labs.
Am 16. Mai 1960 betrieb Theodore H. Maiman den ersten funktionierenden Laser in den Hughes Research Laboratories in Malibu, Kalifornien, noch vor mehreren Forschungsteams, darunter denen von Townes an der Columbia University, Arthur Schawlow bei den Bell Labs und Gould bei der Firma TRG (Technical Research Group). Maimans funktionaler Laser verwendete einen blitzlampengepumpten synthetischen Rubinkristall, um rotes Laserlicht mit einer Wellenlänge von 694 Nanometern zu erzeugen. Das Gerät war aufgrund seines Drei-Niveau-Pumpdesigns nur für den Pulsbetrieb geeignet.
Später im selben Jahr konstruierten der iranische Physiker Ali Javan sowie William R. Bennett und Donald Herriott den ersten Gaslaser unter Verwendung von Helium und Neon, der im Infrarotbereich kontinuierlich betrieben werden konnte (U.S. Patent 3,149,290). Später erhielt Javan 1993 den Albert Einstein Award. Basov und Javan schlugen das Konzept der Halbleiter-Laserdioden vor.
Im Jahr 1962 demonstrierte Robert N. Hall das erste Laserdioden-Gerät, das aus Galliumarsenid bestand und im nahinfraroten Bereich des Spektrums bei 850 nm emittierte. Später im selben Jahr demonstrierte Nick Holonyak, Jr. den ersten Halbleiterlaser mit sichtbarer Emission. Dieser erste Halbleiterlaser konnte nur im gepulsten Betrieb und bei Kühlung auf Flüssigstickstofftemperaturen (77 K) verwendet werden.
Townes berichtet, dass mehrere bedeutende Physiker – darunter Niels Bohr, John von Neumann und Llewellyn Thomas – argumentierten, der Maser verletze die Heisenbergsche Unschärferelation und könne daher nicht funktionieren. Andere, wie Isidor Rabi und Polykarp Kusch, erwarteten, dass er unpraktisch sei und die Mühe nicht wert wäre. 1964 teilten sich Charles H. Townes, Nikolay Basov und Aleksandr Prokhorov den Nobelpreis für Physik „für grundlegende Arbeiten auf dem Gebiet der Quantenelektronik, die zur Konstruktion von Oszillatoren und Verstärkern auf der Basis des Maser-Laser-Prinzips geführt haben“.
Im Jahr 1970 entwickelten Zhores Alferov in der UdSSR sowie Izuo Hayashi und Morton Panish von den Bell Telephone Laboratories ebenfalls unabhängig voneinander raumtemperaturfähige, kontinuierlich arbeitende Diodenlaser unter Verwendung der Heterostruktur.
Seit der Frühzeit der Lasergeschichte hat die Laserforschung eine Vielzahl verbesserter und spezialisierter Lasertypen hervorgebracht, die für unterschiedliche Leistungsziele optimiert wurden, darunter: - neue Wellenlängenbereiche - maximale durchschnittliche Ausgangsleistung - maximale Spitzenpulsenergie - maximale Spitzenpulsleistung - minimale Ausgangspulsdauer - minimale Linienbreite - maximale Energieeffizienz - minimale Kosten Und diese Forschungen dauern bis heute an.
Im Jahr 2015 entwickelten Forscher einen weißen Laser, dessen Licht durch ein synthetisches Nanosheet aus Zink, Cadmium, Schwefel und Selen moduliert wird, das rotes, grünes und blaues Licht in unterschiedlichen Anteilen emittieren kann, wobei jede Wellenlänge 191 nm umfasst.
Im Jahr 2017 demonstrierten Forscher der TU Delft einen AC-Josephson-Kontakt-Mikrowellenlaser. Da der Laser im supraleitenden Bereich arbeitet, ist er stabiler als andere halbleiterbasierte Laser. Das Gerät hat Potenzial für Anwendungen im Quantencomputing.
Im Jahr 2017 demonstrierten Forscher der TU München den kleinsten modengekoppelten Laser, der Paare phasenstarrer Pikosekunden-Laserpulse mit einer Wiederholfrequenz von bis zu 200 GHz emittieren kann.
Im Jahr 2017 stellten Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zusammen mit US-Forschern von JILA, einem gemeinsamen Institut des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado Boulder, einen neuen Weltrekord auf, indem sie einen erbiumdotierten Faserlaser mit einer Linienbreite von nur 10 Millihertz entwickelten.
