2. Technik

Technische Literatur gibt es zuhauf; in diesem Bereich ist es eher schwierig, als Laie einen Durchblick zu bekommen. Die folgenden Darstellungen mögen also den Geisteswissenschaftler langweilen und physikalisch Versierten zu recht laienhaft vorkommen, dennoch soll das grundlegende Prinzip des Lasers erläutert werden, um später auf einzelne Phänomene und die Diskussion Technik-Kunst argumentativ eingehen zu können.

2.1 Physikalische Grundlagen und ihre Entdeckung

Der Begriff „LASER“ ist eine Abkürzung und steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, also „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“ (VDI 2003:32) oder „Lichtverstärkung durch erzwungene Strahlungsanregung“ (Klinger 1979:6). Die „Strahlung“ ist hier eine feine Vibration von Elementarteilchen, die bei Energiezufuhr durch ihr spezifisches Verhalten bestimmte Formen von Licht absondern. Die Wellenlängen, die dabei zustande kommen, reichen von ultraviolettem bis zu infrarotem Licht (von mehr als 1µm bis unter 10nm3) (VDI 2003:22). Auf dieser Skala liegt in einem verhältnismäßig kurzen Abschnitt der für das menschliche Auge wahrnehmbare Bereich von 700 bis 400 nm (VDI 2003:22), mit allen Farben von rot bis dunkelblau (Mueller 2005). In einem weiteren Winkel gesehen, reiht sich das Licht in das elektromagnetische Spektrum weiterer vom Menschen genutzter Wellenlängenbereiche ein, denen auch elektrischer Strom, Telefonsignal, alle Sorten des Funks, Wärmestrahlung, Röntgenstrahlung und letztendlich auch die radioaktive Strahlung angehören (Klinger 1979:12).

Der Laserstrahl entsteht wie bereits erwähnt aus einer elektrischen Anregung, dem sogenannten „Pumpen“ (VDI 2003:32). Wenn die Atome des Ausgangselements elektrisch geladen werden, gelangen die Elektronen der Atome auf höhere Energieniveaus. Das eigentliche Phänomen der Lichtabsonderung geschieht erst dann, wenn die Elektronen auf ihren ursprünglichen Platz zurückfallen. Dabei geben die Atome ihre Ladung wieder ab – in Form von Photonen, also Lichtteilchen (Mueller 2005). Die besonderen Eigenschaften des Lasers treten zutage, wenn ein emittiertes Photon mit einem anderen energiegeladenen Atom zusammenstößt. Dann nämlich nehmen die „fallenden“ Elektronen die Wellenlänge des ersten Photons mit auf und bewegen sich gleichphasig von ihrer Quelle weg. In der Laserröhre, in der sich das angeregte Element befindet, „schwingen“ die Photonen noch eine Weile zwischen zwei parallelen Spiegeln (den sogenannten „Laserresonatoren“ (VDI 2003:33)) an den Enden der Röhre und werden so noch in eine definierte Richtung gelenkt, so dass sie und weitere in einer Kettenreaktion von ihnen angeregte Photonen mit gleicher Wellenlänge und Richtung aus einem kleinen transparenten „Loch“ in einem der Spiegel austreten. Dieses synchronische Schwingen durch die stimulierte Emission wird „Kohärenz“ genannt und bewirkt besonders reine Farben („Monochromasie“: Klinger 1979:41) und eine gegenüber dem gestreuten Licht, sogar dem Sonnenlicht (Klinger 1979:39), erstaunliche Reichweite mit einer hohen „Bündelungsschärfe“ (Klinger 1979:38), einem sich idealerweise in der Distanz kaum aufweitenden Strahl (Mueller 2005).

Welche Wellenlängen die Laserröhre emittieren kann, hängt von dem angeregten Element in der Röhre ab. Theoretisch kann jedes Material zur stimulierten Strahlungsemission gebracht werden (Bergquist 1999:7), meist werden jedoch hochwertige Gase oder Feststoffe in Form gezüchteter Kristalle verwendet. In der Industrie ist CO2 mittlerweile das wichtigste Lasergas geworden (VDI 2003:33), aber auch zahlreiche andere Gase und Feststoffe, zum Teil sogar Flüssigkeiten, werden mit ihren spezifischen Eigenschaften für bestimmte Anwendungsgebiete gewählt. Auch Halbleiterlaser haben mittlerweile in der Industrie Einzug gehalten (Bergquist 1999:8).

Bereits 1917 hatte Albert Einstein zum ersten Mal die sogenannte „spontane Emission“ bewiesen; den Vorgang, dass geladene Atome den energieärmeren Zustand anstreben und dabei Photonen emittieren würden. Ebenso beschrieb Einstein das Phänomen der Kohärenz und prägte das „SER“ in der Abkürzung „Laser“, indem er es „Stimulated Emission of Radiation“ nannte (Bergquist 1999:6). Da der Prozess selbst aber lange nicht kontrollierbar war, blieben Einsteins Überlegungen vorerst Theorie (Zilczer 1973:2).

Bezeichnenderweise laufen die Beschreibungen, wann seine Überlegungen zum ersten Mal in die Realität umgesetzt wurden, in verschiedenen Quellen etwas auseinander. Einigkeit herrscht in der amerikanischen und der deutschen Literatur über die Entwicklung des ersten „MASER“ (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), der 1954 vom amerikanischen Wissenschaftler Charles H. Townes (Zilczer 1973:2, Klinger 1979:6, Kneubühl 1989:4, VDI 2003:34) realisiert wurde. Während die NASA bis 1973 ausschließlich weitere amerikanische Wissenschaftler erwähnt, erhielt Townes jedoch 1964 gemeinsam mit den zwei Russen N. S. Basov und A. M. Prokhorov für diese Basisarbeit den Nobelpreis für Physik (Klinger 1979:6). 1960 war nämlich auf deren Grundlage der erste zunächst „optical maser“ genannte Rubin-Laser entstanden, den Theodore H. Maiman anschließend baute (Zilczer 1973:3, Kneubühl 1989:4). Von diesem Zeitpunkt an lassen sich in den Industrienationen der Welt zahlreiche Meilensteine der Laserentwicklung nachzeichnen (z.B. Kneubühl 1989:4ff.), die hier nicht weiter ausgeführt werden sollen.

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2.2 Anwendungsgebiete und Zukunft des Lasers

Schon 1973 spricht die NASA von heute immer noch relevanten Anwendungsgebieten. In der Medizin sind das beispielsweise Operationen an der hochsensiblen Retina des Menschen – Korrekturen an der Optik des Auges, die mit anderem Gerät nicht durchzuführen wären. Auch Eingriffe an der Haut und die Verwendung des Lasers als Skalpell sind sinnvoll, da der Laser geöffnete Blutgefäße sofort verschweißt und damit unblutige Schnitte möglich macht. Die Schönheitschirurgie nutzt ihn zur Pigmenterkennung, und in der Forschung macht sich der Laser in besonderen Mikroskopen nützlich (Zilczer 1973:3).

Die Industrie profitiert ebenfalls seit langem von der Präzision und der Kraft des Lasers. Alle Anwendungsformen aufzuzählen wäre hier müßig – in zu vielen Produktionsstufen ersetzt er Schablonen, Fräsen, Sägen und Schweißgeräte; und immer mehr Anwendungsformen werden entdeckt. 1979 bietet der Band „Laser. Grundlagen und Anwendung“ der Kosmos-Bibliothek (sh. Klinger) ebenfalls einen guten Stand der bis dato erkannten Möglichkeiten. Dazu werden unter anderem die Nachrichtenübertragung über Glasfaser oder im Vakuum des Weltraums, Radar und Entfernungsmessung und zahlreiche Anwendungen als Werkzeug erläutert. Besonders die Publikation der NASA von 1973 lässt sich auf den Wunsch zurückführen, den Laser für militärische Zwecke zu erkunden.

Mittlerweile hat der Laser auch in unserem Alltag Einzug gehalten und wird dort kaum noch als solcher wahrgenommen. Es gibt Laserpointer und Laserdrucker, und in Audio-Anlage und PC versteckt er sich als Lesegerät in CD- und DVD-Laufwerken.

Auf Messen lässt sich hervorragend die rasante Weiterentwicklung der Lasertechnologie verfolgen, so beispielsweise in der zweijährlich stattfindenden „Laser“ in der Neuen Messe München (LASER 2005). Die Industrienationen haben längst das Potenzial der Optischen Technologien erkannt und begegnen dem weltweiten Konkurrenzkampf mit Innovationsförderung an Hochschulen und Unternehmen. Beispiel hierzulande ist das „Förderprogramm Optische Technologien“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Das Programm fordert eine „Erschließung der wissenschaftlich-technischen Grundlagen, Stärkung der Innovationskraft und der internationalen Wettbewerbsfähigkeit, und die Unterstützung der Aus- und Weiterbildung“ (BMBF 2002:10f.). Eine bereits erfolgreiche Aktion ist das Projekt „Faszination Licht – Kampagne zur Aus- und Weiterbildung in den Optischen Technologien“, das durch das BMBF gefördert und mit Hilfe des VDI-Technologiezentrum Düsseldorf realisiert wurde. Es beinhaltet die Wanderausstellung „Faszination Licht“ und eine gleichnamige Publikation, die besonders auf die Information von Schulkindern und die Verwendung im Unterricht zugeschnitten ist (VDI 2003:3f.). Die Wanderausstellung war zuletzt vom 18. Mai bis 5. Juni 2005 im Lichtkunst-Museum Unna zu sehen (www.faszinationlicht.de).

In der Broschüre zum Förderprogramm des BMBF wird erwähnt, dass beispielsweise in Japan bereits seit 1977 „Forschungsvorhaben mit Bezug zur Lasertechnik“ staatlich gefördert werden (BMBF 2002:60). Eine Tatsache, die den Nachholbedarf in Deutschland noch verschärft. Inwieweit die EU den Forderungen nach finanzieller Unterstützung nachkommen kann, hängt wohl stark von der Entwicklung der EU-Finanzpolitik in den kommenden Jahren ab.

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2.3 Bauelemente der Lasershowanlage

Für Lasershows werden nur Lasertypen verwendet, die das Spektrum des vom Menschen wahrnehmbaren Lichts wiedergeben. Thomas Hafner, der eine Lasershow-Firma in Freilassing an der deutsch-österreichischen Grenze betreibt (Arctos 2005), entwickelt selbst neue Laser für den Showbereich und kennt daher die gebräuchlichen und brauchbaren Typen: „Konventionelle und klassische Laser sind Gas-Ionenlaser. Meist Argon/Krypton kurz Ar/Kr Mischgaslaser“ (Hafner-Interview 2005). Wegen diverser Nachteile in der mobilen Verwendung sieht er aber seit zwei Jahren eine Tendenz zum nutzungsfreundlicheren „Allfarben-DPSS (diode pump solid state) –Laser“ – sie sind kleiner und leichter, brauchen weniger Strom, sind in Benutzung leichter zu kühlen und im allgemeinen unempfindlicher (ebd.).

Da der Laser wie beschrieben elektrisch betrieben wird, wird eine Stromzufuhr benötigt. Für größere Shows braucht man dafür (nach amerikanischen Angaben) 220- oder 440-Volt-Anschlüsse, eventuell auch ein entsprechendes externes Netzgerät für den Laser.

Je nachdem, wie viel Leistung eine Laseranlage bringt, muss sie während des Betriebs kontinuierlich gekühlt werden. Die Kühlung mit Wasser ist zuverlässig und üblich, wird aber wegen ihrer Umständlichkeit (schwere Pumpanlagen, Abhängigkeit von einer Frischwasserzufuhr und Abflussmöglichkeiten) immer mehr von Luftkühlungssystemen verdrängt (Murphy 2005).

Für die Projektion wird eine entsprechende Anlage eingesetzt. Je nach Anforderung und Lasertyp kann das ein X-Y-Scanner sein, bis hin zu komplizierten „Optischen Bänken“, die die Farbmischung bewerkstelligen oder über Spiegel den Strahl in bestimmte Austrittswinkel bringen und bestimmte Effekte erzeugen können. Der X-Y-Scanner besteht aus zwei 3x5mm kleinen Spiegeln (in X-Richtung für horizontale Ausrichtung, Y-Richtung für die vertikale), die elektromagnetisch angesteuert werden und derzeit Frequenzen zwischen 60 bis 80 Kilo-Hertz erreichen können. Zusätzlich benötigt der Scanner einen sogenannten „Blank“ (engl. „weiß, leer, unbeschrieben, unausgefüllt“, PONS 1987), der den Laserstrahl mechanisch ausblendet während er für den nächsten Graphikteil neu positioniert wird (Murphy 2005).

Für die Ansteuerung benötigt man ein Computersystem mit ausreichend Prozessorgeschwindigkeit und Speicherplatz, in das speziell für den Lasershowbereich entwickelte Graphikkarten eingebaut werden (für jeden angesteuerten Laser eine). Hauptanbieter dieser PCI-Karten mit entsprechender Software ist die amerikanische Firma "Pangolin" (sh. Anmerkung), und aufgrund der schlechten Übertragbarkeit in Pangolin programmierter Shows auf alternative Systeme konnte sich bisher kein Mitbewerber wirklich durchsetzen, obwohl Pangolin noch auf der alten Amiga-Technologie basiert.

Die Lasershow-Projektion lebt von einer extrem hohen Präzision, Wendigkeit und Farbreinheit und erfordert ein dementsprechend hochwertiges Material. Bereits eine schlichte optische Bank ist nicht unter 7500 $ zu haben, mit höheren Ansprüchen wird sie schnell teurer (Murphy 2005). Ein showgeeigneter Weißlichtlaser (also ein Laser, der das volle Farbspektrum erzeugen kann) kostet im Moment neu mindestens 10.000 €, manche Anbieter verlangen ein Vielfaches. Pangolinkarten und -software gibt es in drei Leistungsklassen für unter 1000 $ bis zu mehr als 5000 $ für den professionellen Bereich (ebd.). Dazu kommen Ausgaben für Lagerung und Transporte sowie ergänzendes Equipment wie Kabel und Wasserleitungen, und Projektionsmedien wie Leinwände oder Nebelmaschinen.

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2.4 Projektionsmöglichkeiten

Im Lasershowbereich werden zwei grundsätzliche Formen der Projektion unterschieden: die „Graphikshow“ und die „Beamshow“.

2.4.1 Graphikshow

Die Graphikshow arbeitet mit ähnlichen Mitteln wie der Zeichentrickfilm im Kino. Projektionsfläche ist irgendeine Form einer zweidimensionalen Fläche; in der Luft ist der Laserstrahl vor seinem Auftreffen kaum sichtbar. Der oben beschriebene Scanner aus X-Y-Spiegeln fährt Koordinaten ab, die ihm die Programmierung aus dem Computer liefert. Im Gegensatz zu den schnellen Bildwechseln im Kino oder der linienförmigen Röhrenprojektion in den heimischen Monitoren und Fernsehgeräten arbeitet der Scanner mit vektorisierten Koordinaten und ähnelt damit fast mehr einer zeichnenden Hand. Durch die vergleichsweise sehr stilisierte Zeichnung entsteht der besondere Charakter der Lasergraphik, den ein Profi als „animiertes Neon“ (Dryer 2005) beschreibt, natürlich unter den etwas fortgeschrittenen Bedingungen der Animierbarkeit und größeren Farbpalette. Genauso wie bei Filmprojektor und Röhrenmonitor ist aber auch die Lasergraphik nur durch die Trägheit des menschlichen Auges möglich, die die einzelnen „Frames“ zu einer Animation zusammenfügt (ebd.).

Bereits in den 60er Jahren wurde mit dieser Graphik experimentiert, indem man einen Computer mit einem Loop aus X-Y-Koordinaten fütterte. Heraus kamen dabei mathematische Figuren, die „Lissajous“ (ebd.), die an die Spirographenbilder aus der Kindheit erinnern. Durch die Entwicklung präziserer Scanneranlagen mit einem größeren Projektionswinkel und dem Einbau des „Blanks“ wurden bald kompliziertere und mehrfarbige Graphikdarstellungen möglich (ebd.) Bis heute dauert die Entwicklung schnellerer Projektoren an, denn nach wie vor hängt die Frequenz Frames-pro-Sekunde (im Gegensatz zum gleichmäßig laufenden Kinofilm) von der Komplexität des einzelnen Frames ab und ist bei farbenfrohen Sequenzen entsprechend ruckelig. Die Programmierung solcher Shows ist daher mit viel Erfahrung und Experimentieren verbunden, um Texte und Graphiken gut erkennbar projizieren zu können, und die Beauftragung eines Profis ist auch dementsprechend kostspielig (ebd.).

Auf lange Sicht gesehen bietet der Laser auch die erstmalige Chance, echte dreidimensionale Graphiken zu verwirklichen. Es gibt bereits zahlreiche Versuche; in Deutschland sorgte beispielsweise Ende 2004 das „Felix 3D-Display“ für Schlagzeilen, entwickelt von Schülern aus Stade (Flohr 2004:112ff.). Zuvor war vom Zentrum für Kunst und Medientechnologie Karlsruhe (ZKM) bereits im Jahr 2000 der „Laser-Film“ von Michael Schmid, Thomas Beth und Jörn Müller-Quade (ZKM 2005) veröffentlicht worden, der in eingeschränktem Maße einfache Animationen wiedergeben kann. Auch beim Lasershow-Software-Anbieter Pangolin werden holographisch „schwebende“ Projektionen, wie sie beispielsweise in den Star Wars Filmen animiert wurden, diskutiert (Pangolin 2005). Ideen gibt es viele, Realisierbares bleibt abzuwarten.

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2.4.2 Beamshow

Im Gegensatz zur Graphikshow bedient sich die „Beamshow“ eines dreidimensionalen Mediums, nämlich der Luft. Die Luftmoleküle selbst würden den Laserstrahl, wie eben bei der Graphikshow, kaum reflektieren und damit sichtbar machen, so dass der Raum, in dem projiziert werden soll, mit reflektierenden Partikeln aufgefüllt werden muss. Die einfachste Lösung für solchen künstlichen Nebel sind gewöhnliche Nebelmaschinen aus Theatern und Diskotheken, die es auch je nach Bedarf in den verschiedensten Größen und Ausführungen gibt. Schimmernde Effekte ergeben sich durch die Reflektion an feinen Wassertröpfchen, die beispielsweise ein Springbrunnen erzeugen kann (Walsh 2005). Durch das Aufleuchten der Partikel, die der Laserstrahl trifft, wird der Strahl als durchgehende Linie von seiner Quelle bis zum Auftreffen auf einen undurchsichtigen Festkörper wahrgenommen. Hier wird aufgrund der Trägheit des Auges beispielsweise eine vielfach hintereinander lasergezeichnete Linie zur Fläche, ein Kreis zu einem Tunnel, ein Quadrat zu einem Raum und so weiter.

Während die Zuschauer bei einer Graphikshow natürlich auf die Projektionsfläche sehen sollten, entsteht bei der Beamshow der Effekt erst beim Blick in Richtung des Projektors. Nicht nur erscheint das Laserlicht aus dieser Perspektive wesentlich kräftiger, es entsteht auch nur dann der Moment der „Berührung“ des Zuschauers durch den Laserstrahl, den ein weiterer amerikanischer Profi amüsant erklärt: "Looking at laser beams hop scotching over your head is pleasant enough, but when the beams reach out and actually touch you, it's good-bye planet earth and hello next dimension" (Lytle 2005).

Zu beachten ist hierbei immer die Sicherheit der Zuschauer, da zu starke Laserstrahlung dauerhafte Schäden im Auge hervorrufen kann. In Deutschland gibt es dazu spezielle Vorschriften (dazu später unter Punkt 3.4), in Amerika ist dagegen das sogenannte „audience scanning“, das direkte Strahlen in das Publikum auf Augenhöhe, vorerst ganz verboten (Walsh 2005).

Wie bei der Graphikshow ist auch bei der Beamshow Dunkelheit im Projektionsraum unbedingt nötig, da das Streulicht den Laser sonst sehr schwach oder gar nicht mehr sichtbar werden lässt (ebd.). OpenAir-Shows müssen deshalb grundsätzlich nachts stattfinden. Ein großes Problem stellt sich dabei immer wieder durch vorhandenes Fremdlicht – in Sälen stören leuchtende Notausgangsschilder, im Open-Air-Bereich Leuchtreklame, Gebäude und die bunten Birnen von Volksfest-Karussells. Es kann auch viel von der Wirkung einer Lasershow kosten, wenn man vergessen hat, im Vorfeld die Stadtwerke um zeitweise Abschaltung der Straßenbeleuchtung zu bitten (Lytle/ McCullough 2005).

Ein besonderes Hilfsmittel, das gerne bei Beamshows angewandt wird, ist die Positionierung spezieller Spiegel, die den Strahl auf seinem Weg umlenken können und so noch mehr Effekte erzielen. Dabei gibt es neben statischen normalen Spiegeln, die den Strahl im Auftreffwinkel unverändert ablenken, auch Effektspiegel, die mit Spezialfolien abgeklebt sind. Diese Spiegel werden „Gratings“ genannt und brechen den Laser je nach Folienstruktur in viele Einzelstrahlen auf. Die Folien erzeugen je nach Typ eine Linie aus Laserpunkten („Line“), eine Gitterstruktur („Grid“), oder der Spiegel wirkt als Prisma, bricht also den Strahl in seine Farbbestandteile auf und strahlt sie in alle möglichen Richtungen wieder ab („Burst“). Mit zunehmenden Entwicklungen im Bereich der Materialbearbeitung gibt es immer differenziertere Grating-Arten, abzurufen beispielsweise beim Händler „Creative Laser“ (Creative Laser 2005). Die Spiegel können statisch sein oder per Motor selbständig bewegend oder softwaregesteuert, was dann noch mehr Gestaltungsmöglichkeiten bietet (Walsh 2005). Durch die Positionierung kann letztendlich jeder Winkel erzeugt und jeder Bereich eines Raumes erreicht werden.

Für eine Graphikshow genügen ein Laser und eine entsprechende Projektionsfläche. Für Beamshows wird je nach Budget und gestalterischen Vorstellungen ebenfalls ein einzelner Laser angewandt, oder ein Laser mit optischer Bank, ein Laser mit Glasfaser auf mehrere externe Scanner, mehrere Laser, eventuell Spiegel in verschiedenen Variationen, und so weiter. Zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten bieten die Nebelmaschinen, die aber sehr unvorhersehbar sind, weil Thermik und Aufbauten vor Ort dem Nebel oft zusetzen. Je mehr Nebel (bis zu einem bestimmten Grenzwert), desto besser werden die Projektionen jedoch sichtbar (Lytle/ McCullough 2005).

Meist unabdingbar ist für einen Showaufbau eine entsprechende Soundanlage. Kaum eine Show, egal ob Graphik oder Beam, kommt ohne Sprache oder mindestens Musik aus, so dass die Beschallung des Publikums mit einem adäquaten Pegel sichergestellt sein sollte.

Viele Laseristen spielen gerne mit den technischen Möglichkeiten. Mit Wasserschilden und Wasserleinwänden wird immer gerne experimentiert, Traversensysteme tragen Projektoren und Spiegel (beispielsweise bei tarm Laser), Tänzer werden mit kleinen Spiegeln kostümiert und mit Laser angestrahlt. Der französische „Laser-Magier“ Theo Dari stattet sich sogar selbst mit kleinen Lasern, Glasfaser und Spiegeln aus und hantiert in der Show mit scheinbar isolierbaren Laserstrahlen (Theo Dari 2005). Dagegen gehört die Kombination von Graphik- und Beamshow, mitunter auch gespickt mit Videoprojektionselementen, schon zum „alten Eisen“.

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Anmerkung: Die (Pangolin Firmenwebsite) gilt mit ihrem großen Downloadbereich, Online-Schulungen, Produktbeschreibungen und einer Art Branchenverzeichnis als anerkanntes Forum für Laseristen