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Was Albert Einstein mit dem Laserschweißen zu tun hat

Wer heute Laserstrahlschweißen als Fügetechnologie nutzt, denkt meist nicht über die Hintergründe dieser Erfindung nach. Doch am Beispiel des Lasers zeigt sich so deutlich wie selten, wie der Weg von der Idee über die Theorie zur Praxis verläuft.

Der erste Laser wurde 1960 von dem US-amerikanischen Physiker Theodor Maiman gebaut, da war Albert Einstein schon fünf Jahre tot. Doch schon der Name, den Maiman seiner Konstruktion gab, verweist direkt auf den geistigen Urheber: „Laser“ steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, also auf Deutsch „Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Das ist ein direktes Zitat aus einer Arbeit von Einstein aus dem Jahr 1916, in dem er die Grundlagen für die heute nicht mehr wegzudenkende Laser-Technologie legte.

Eine Folge der Quantentheorie

Am Beginn des Wegs zum Laser stand für Einstein die Frage, wie Licht entsteht. Das war eine Folge der Entwicklung seiner „Allgemeinen Relativitätstheorie“, mit der er 1915 erstmals den Zusammenhang zwischen Materie, Raum und Zeit erklären konnte. Sie beschreibt auch, wieso das Licht von fernen Sternen so auf der Erde eintrifft, wie sie es eben tut – nur kann sie nicht erklären, wie Licht überhaupt entsteht. Ihm sei bei der Beschäftigung mit diesem Problem alsbald „ein prächtiges Licht aufgegangen“, schrieb Einstein bald nach Veröffentlichung der „Allgemeinen Relativitätstheorie“ an einen Freund. Ihm war die Lösung gelungen. Licht, so der spätere Nobelpreisträger, ist Materie. Es besteht aus einzelnen Energiepaketen, die von den Atomen ausgesendet werden. Diese Lichtteilchen, die heute unter dem Namen Photonen Allgemeingut sind, nannte er „Lichtquanten“ und stellte die Theorie auf, dass es zwei Gründe geben müsse, warum Atome diese Lichtteilchen aussenden. Zum einen gäbe es die bekannten spontane Emissionen, also das natürliche Licht. Das wird von Atomen abgegeben, die in einem energiearmen, stabilen Zustand selber von einem Photon getroffen wird. Diese Zusatzenergie regt sie dazu an, die überschüssige Energie selbst wieder in Form von Licht abzugeben, das nicht steuerbar ist und sich nach der Frequenz und Energieinhalt des Ursprungsphotons richtet. Doch wenn das stimme, so Einstein, müsse es auch möglich sein, diese Emission künstlich und zielgerichtet hervorzurufen.

Von der Theorie zum Laser

„Strahlungsemission und Absorption nach der Quantentheorie“ hieß die Arbeit von 1916, in der er den Gedanken ausführte. Wenn es nämlich gelänge, Photonen von gleicher Richtung und Wellenlänge konzentriert zu erzeugen, dann müssten die Atome eines bestimmten Materials immer mehr Lichtteilchen mit exakt derselben Richtung und Wellenlänge abgeben. Die sich selbst simulierende Kopie dieser Photonen würde dann einen intensiven, zielgerichteten Lichtstrahl von enormem Energieinhalt erzeugen, so Einsteins Theorie. Mehr als 40 Jahre später bewies Theodor Maimann, dass der große Albert auch damit Recht gehabt hatte. Sein „Maser“, so der erste Versuch, arbeitete noch mit Mikrowellen und verstärkte deren Strahlung auf dem beschriebenen, zielgerichteten Weg. Der „Laser“ von 1960 nutzte zur Erzeugung des ersten gebündelten Lichtstrahls eine Blitzlampe, einen Rubin und eine Hülse aus Metall. Mithilfe von Spiegeln leitete er den Lichtstrahl immer wieder durch den Kristall, regte die Atome zur Aussendung von hellen roten Lichtteilchen an und erzeugte einen intensiven Lichtstrahl, der keine Entsprechung in der Natur hat. Der Rest ist die Geschichte eines innovativen Verfahrens: Heute werden eine Vielzahl an verschiedenen Lasern genutzt, wobei beim Laserschweißen sich beispielsweise die Verwendung von Gaslasern bewährt hat. In diesem Fall ist der Resonator mit einem Prozessgas gefüllt, das als aktives Medium zur Verstärkung der Strahlung fungiert. Das ist nicht zu verwechseln mit dem Schutzgas, das die passive Funktion der Abschirmung der Schweißnaht von äußerlichen Einflüssen hat. Wenn heute immer mehr Branchen, vom Automobil- und Flugzeugbau angefangen bis zur Kunststoffindustrie und dem weiten Feld des Auftragsschweißens, auf Laserstrahlschweißen setzen, geschieht das noch immer auf der theoretischen Grundlage, die Albert Einstein vor über 100 Jahren geschaffen hat: Als „Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“.

Download Broschüre Laserschweißen

 

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