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Zum Internationalen Tag des Lichts

Der weltweit erste "Tag des Lichts"

Am 16. Mai feiern wir zum ersten Mal den "Welttag des Lichts". Der von der UNESCO ausgerufene Aktionstag soll ab 2018 jährlich auf die zentrale Rolle des Lichts in vielen Bereichen aufmerksam machen: Wissenschaft, Kultur, Kunst, Bildung und nachhaltige Entwicklung, aber auch Medizin, Kommunikation und Energie. Auch in Deutschland finden hierzu zahlreiche Veranstaltungen und Ausstellungen statt. So können Sie zum Beispiel den von Theodore Maiman gebauten ersten Laser im Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching besichtigen. Weitere Informationen zum "Welttag des Lichts" finden Sie hier.

Ohne Licht geht nichts – Entdeckungen und Innovationen rund um das Thema Licht

Es gibt wenige Materien, die auf den ersten Blick so selbstverständlich und klar scheinen und auf den zweiten Blick so vielfältig und komplex sind wie das Licht. Schon Albert Einstein befand hierzu: "Fünfzig Jahre intensiven Nachdenkens haben mich der Antwort auf die Frage 'Was ist Licht?' nicht nähergebracht. Natürlich bildet sich heute jeder Wicht ein, er wisse die Antwort. Doch da täuscht er sich."

Am Anfang war die Frage: Wellen oder Teilchen?

Seit mehreren hundert Jahren versucht der Mensch der Natur des Lichts auf den Grund zu gehen. Die entscheidende Frage dabei ist, ob Licht aus Wellen oder aus Teilchen besteht. Der englische Physiker Isaac Newton stellte dazu im Jahr 1672 seine "Korpuskeltheorie" auf: Demnach besteht Licht aus kleinen Korpuskeln (Teilchen), die von der Sonne aus geradlinig durch den Raum gestoßen werden. Die Lichtteilchen können von Hindernissen abprallen und die Richtung ihrer Flugbahn verändern. Anderseits gab es beim Licht Erscheinungen, die nur bei Wellen auftreten: Interferenz (Überlagerung) und Beugung. Dies veranlasste Newtons Zeitgenossen Christiaan Huygens, Licht als Welle aufzufassen. Aber erst im Jahr 1802 konnte der englische Arzt Thomas Young die Welleneigenschaften des Lichts nachweisen.

Um 1900 begründete der deutsche Physiker und Direktor der neu geschaffenen Physikalisch-Technischen Reichsanstalt Max Planck die Quantenphysik. Planck entdeckte bei Experimenten, dass das Licht einer Glühlampe nicht in Wellen ausgesandt wird, sondern in kleinsten, nicht teilbaren Energiepaketen, den sogenannten Quanten.

Schließlich entdeckte Albert Einstein im Jahr 1905 den Photoeffekt: Das bedeutet, dass aus einer mit kurzwelligem Licht bestrahlten Metallplatte Elektronen herausgelöst werden. Dabei dringen die Photonen in das Metall ein und geben ihre gesamte Energie an die Elektronen der Metalloberfläche ab. Für die Erklärung dieses Effekts erhielt Albert Einstein 1922 seinen Nobelpreis und nicht etwa für seine viel bekanntere Relativitätstheorie. Auf dem Photoeffekt beruht beispielsweise die Arbeitsweise von Halbleitern, Bildwandlern, Digitalkameras und Solarzellen. Auch die Arbeitsweise des Lasers geht aus dem lichtelektrischen Effekt hervor, ohne den es viele Geräte aus der Unterhaltungselektronik, der Informationstechnik, der Analytik oder der Medizintechnik nicht gäbe.

Das Rennen um den ersten Laser

Abbildung eines Masers

Abbildung aus Patentschrift US 2929922 A, "Masers ans Maser Communications System", 1960

Auch hier gilt Einstein als Vordenker, schließlich war ihm, wie er im Jahr 1916 einem Freund schrieb, "ein prächtiges Licht aufgegangen". So legte er mit seiner These der "stimulierten Emission" von Licht die theoretischen Grundlagen für den Laser. Dabei wird die Emission (Aussendung) eines Photons (Lichtteilchens) durch ein anderes Photon ausgelöst.

Doch erst in den 50er Jahren entwickelten verschiedene Forschergruppen unabhängig voneinander erste MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Die Technik ist dabei ähnlich wie beim Laser, nutzt aber Mikrowellen anstatt Licht. Mit einem solchen Gerät kann man zum Beispiel Signale von Raumsonden empfangen, die Milliarden Kilometer weit weg sind. Dabei kann man diese Signale hörbar machen, indem man Mikrowellen bündelt und so verstärkt.

Abbildung aus Patentschrift US 3 353 115 A, "Ruby Laser Systems" 1967

Anfang der 60er Jahre arbeiteten zahlreiche Labore weltweit daran, die Technik auf Lichtwellen zu übertragen. Während in den Bell Laboratories ein Team um Arthur Schawlow und Wolfgang Kaiser auf Helium-Neon Gas als Verstärkermedium für die Lichtwellen setzte, experimentierte Theodore Maiman an den Hughes Research Laboratories mit Rubin-Kristallen, also Festkörpern. Am 16. Mai 1960 entschied Maiman das Rennen für sich. Es gelang ihm zum ersten Mal weltweit, eine stimulierte Verstärkung von sichtbarem Licht in einem Rubinkristall nachzuweisen. Im November 1967 wurde ihm dafür das Patent US 3 353 115 A erteilt.

Ab 1960 schritt die Entwicklung des Lasers in Riesenschritten voran: Innerhalb weniger Jahre wurden Faserlaser, Helium-Neon-Laser, Halbleiterlaser, Nd:YAG-Laser und CO2-Laser entwickelt und zum Patent angemeldet.

Was Theodore Maiman nicht ahnte: Die Lasertechnologie bietet zahlreiche Einsatzmöglichkeiten vom einfachen Lichtzeiger über Entfernungsmessgeräte, Schneid- und Schweißwerkzeuge, die Wiedergabe von optischen Speichermedien wie CDs, DVDs und Blu-ray Discs, Nachrichtenübertragung, medizinischen Geräten bis hin zum Highspeed-Internet per Laser.

Bild 1: iStock.com/schaffert, Bild 2: DPMA, Bild 3: DPMA

Stand: 16.05.2018 

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