Messen mit Licht

Die starke Bündelung des Laserstrahls, kombiniert mit seiner hohen Lichtintensität, eröffnet ihm überall dort Anwendungsgebiete, wo man masselose Lineale braucht, also bei der exakten Ausrichtung großer Bauteile, architektonischer Elemente oder langer Tunnel.

Der Fundamentalstation Wettzell

Mit Messlatten und Schnüren mussten die Ägypter vor 4500 Jahren auskommen, um die Geometrie beim Bau ihrer Pyramiden festzulegen. Sollte in ferner Zukunft einmal die Zeitmaschine erfunden werden, würde der Zeitreisende mit einem Laser im Gepäck im alten Ägypten wohl begeistert empfangen. Ein Laser wäre nicht nur für die exakte Ausrichtung der Steinblöcke perfekt, er würde auch wunderbar in die nächtlichen Zeremonien passen, die mit dem Pyramidenbau verbunden waren.

Der Laser - ein Lineal aus Licht

Die starke Bündelung des Laserstrahls, kombiniert mit seiner hohen Lichtintensität, eröffnet ihm überall dort Anwendungsgebiete, wo man masselose Lineale braucht, also bei der exakten Ausrichtung großer Bauteile, architektonischer Elemente oder langer Tunnel.

Auch für die Messung großer Entfernungen ist der Laser gut geeignet. So hilft er, die Entfernung Erde-Mond genau zu bestimmen. Schon im Juli 1969, bei der ersten Mondlandung, ließen die beiden Astronauten Neil Armstrong und Edwin Aldrin etwas auf dem Erdtrabanten zurück, was auch heute, 30 Jahre später, noch gute Dienste leistet: einen Spiegel. Er besteht aus rund 100 Katzenaugen, die so geschliffen sind, dass sie einfallendes Licht in sich selbst zurückwerfen. Im August 1969 gelang es dem Lick-Observatorium in Kalifornien erstmals, mit einem Laserpuls von 1,8 Millionen Kilowatt Leistung den Spiegel auf dem Mond anzuvisieren. Der Strahl war beim Auftreffen 1,6 Kilometer dick, bei seiner Rückkehr zur Erde nach etwa 2,5 Sekunden 16 Kilometer. Obwohl die Aufweitung das Licht stark abschwächt, konnte das Drei-Meter-Teleskop den reflektierten Puls noch nachweisen, und so bestimmte man damals mit Hilfe der gemessenen Laufzeit den Abstand Erde-Mond auf 20 Zentimeter genau, was einer Zeitmessung auf zehn Dezimalstellen entspricht. Mit Hilfe des Spiegels wird noch heute die Mondbahn beobachtet. Man will ermitteln, ob eventuelle Schwankungen der Bahn Hinweise auf Massenverschiebungen im Inneren des Mondes oder der Erde geben. Ähnliche Verfahren mit Satelliten benutzte man zur geodätischen Vermessung der Erde.

Überlagerte Wellen

Spiegel auf dem Mond.

Laufzeitmessungen eignen sich nur für große Strecken. Kleine Abstände lassen sich mit Hilfe der Interferometrie bestimmen. Dabei teilt man einen Laserstrahl vor der Messung in zwei Teile auf und überlagert die Teilstrahlen nach der Messung wieder. Auf diese Weise ergibt sich ein Interferenzmuster, wenn die Weglänge der Strahlen unterschiedlich ist. Ein Photoempfänger kann die entstehenden hellen und dunklen Streifen erfassen und ein Computer daraus den Wegunterschied berechnen. Dieses Verfahren benutzt man heute beispielsweise für die Steuerung von Greifarmen bei Robotern, aber auch bei einer Vielzahl von Präzisionsmessungen für die Abstandsbestimmung.

Strahlt man nun Laserlicht auf ein Objekt, das sich auf den Laser zu bewegt, wirft es das Licht mit etwas erhöhter Frequenz zurück. Überlagert man diesen Messstrahl mit einem ausgekoppelten Teil des ursprünglichen Strahls, zeigt sich eine „Schwebung“. Es handelt sich um eine periodische Zu- und Abnahme der Amplitude, aus der man die Frequenzverschiebung des Messstrahls errechnen kann. Aus ihr wiederum lässt sich die Geschwindigkeit des Objekts ermitteln.Eine andere Möglichkeit ist die Überlagerung zweier Laserstrahlen, von denen einer in seiner Frequenz verändert wurde. Man verwendet diese Methode zur Messung von Geschwindigkeiten und damit indirekt auch von Temperaturen. Das Prinzip beruht wieder auf dem Dopplereffekt: Bewegen sich Sender und/oder Empfänger aufeinander zu, erscheint die Frequenz höher, entfernen sie sich voneinander, erscheint sie niedriger.

Dieses Verfahren wird bei der Geschwindigkeitsmessung von Fahrzeugen einge-setzt, zur Steuerung von Werkzeugmaschinen oder bei der Beobachtung strömender Flüssigkeiten. Man kann es auch zur Temperaturmessung heißer Gase verwenden, denn die Geschwindigkeit der Gasteilchen ist ein Maß für deren Temperatur.

Licht als „Fingerabdruck“ von Atomen

Abstandsmessungen sind eine der leichtesten Übungen für Laserphysiker. Die hohe Schule des Messens mit Licht beginnt eigentlich erst bei der Spektroskopie. Sie dient in erster Linie dazu, einzelne chemische Elemente an ihrem charakteristischen Licht zu erkennen und zu unterscheiden. Normalerweise senden Atome kein Licht aus. Erst wenn man sie durch Energiezufuhr anregt, fallen sie nach einiger Zeit wieder in ihren Grundzustand zurück und geben dabei die überschüssige Energie in Form von Licht wieder ab. Aus millionenfachen Messungen ist heute der charakteristische "Fingerabdruck" jeder Atom- und Molekülsorte bekannt. So kann man Stoffgemische analysieren und durch gezielte Anregung mit passendem Laserlicht bestimmte Atome aufspüren. Denn das "Schlucken" von Licht - der Physiker spricht von Absorption - ist ebenso verräterisch wie das spätere Wiederabstrahlen (Emission).

Der Blick aufs Ozonloch

In der Umweltüberwachung hat sich der Einsatz der Spektroskopie als sehr nützlich erwiesen. Im einfachsten Fall schießt man einen Laserpuls quer durch eine Schadstoffansammlung, etwa eine Abgaswolke, auf einen Detektor. Wenn das Licht genau die Frequenz besitzt, die das Schadstoff-Molekül absorbieren kann, stellt die Abschwächung des Pulses ein Maß für die Menge der getroffenen Moleküle dar. Je höher die Schadstoffkonzentration, desto stärker wird der Puls geschwächt.

Weitaus anspruchsvoller ist das so genannte LIDAR-Verfahren (Light Detecting and Ranging), bei dem die Messung von Schadstoffen auch aus großer Entfernung möglich ist. Man macht sich dabei die Tatsache zu Nutze, dass Atome und Moleküle auftreffendes Licht streuen, das heißt, aus seiner ursprünglichen Bahn in alle möglichen Richtungen ablenken. Ein Laserpuls, der beispielsweise in eine Schadstoffwolke gestrahlt wird, erfährt diese Streuung. Aus diesem Grund kommt ein winziger Teil des ausgesandten Lichts als Streulicht wieder zurück. Wenn es gelingt, dieses Signal aufzufangen und zu analysieren, kann man aus seiner Intensität die Konzentration der Schadstoffe ermitteln. Gleichzeitig lässt sich aus der Zeit, die zwischen dem Aussenden des Pulses und dem Eintreffen des Signals vergeht, der Abstand zur Wolke ermitteln. Dieses Verfahren ist inzwischen technisch so ausgereift, dass geringste Schadstoffkonzentrationen gemessen werden können. Es wird auch eingesetzt, um die Abnahme der Ozonkonzentration in großen Höhen zu ermitteln.

Die genauesten Uhren gehen mit Licht

Selbst die Zeitmessung, die weltweit von hochgenauen Atomuhren gesteuert wird, würde nicht ohne Licht funktionieren. Das Grundprinzip jeder Atomuhr beruht darauf, eine bestimmte Lichtfrequenz konstant zu halten, die den Takt der Uhr steuert. Die heute vielfach gebräuchlichen Cäsium-Atomuhren bestehen aus einem Ofen, in dem Cäsiummetall verdampft wird. So erzeugt man einen Strahl aus Cäsiumatomen, der durch ein luftleer gepumptes Rohr läuft. Ein Magnet an dessen Ende lenkt nur Cäsiumatome mit einem ganz bestimmten Energiezustand in den so genannten Resonator. In ihm werden die Atome mit Lichtquanten der Frequenz 9,19263177 Milliarden Hertz (Mikrowellen) bestrahlt. Die Atome können genau diese Frequenz absorbieren und werden dadurch angeregt. Nur diese angeregten Atome werden nun von einem zweiten Magneten in einen Detektor gelenkt. Wenn dort plötzlich weniger Atome eintreffen, muss sich die Frequenz des Lichts im Resonator etwas verschoben haben. Ein elektronischer Regelkreis wird aktiv, der diese Takt-Frequenz nachregelt, bis im Detektor wieder die maximale Anzahl an Atomen eintrifft. Auf diese extrem genaue Art und Weise wird die Frequenz der Lichtquelle gleich gehalten und so die Uhr mit hoher Genauigkeit gesteuert.