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Zukunftslabor Lindau 2019 : Mega, Giga und Exa

Vorverstärker des Hochleistungslasers an der National Ignition Facility in Berkeley. Die Anlage erzeugt pro Laserpuls eine Energie von 1.8 Megajoule, was einer Pulsleistung von zwei Petawatt entspricht. Bild: Damien Jemison, LLNL

Der Laser bricht immer neue Leistungsrekorde, und ein Ende ist nicht in Sicht. Ein Franzose und eine Kanadierin haben großen Anteil daran. Die Nobelpreisträger von 2018 berichteten in Lindau, was von der besonderen Lichtquelle noch alles zu erwarten ist.

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          Nur wenige Erfindungen haben Wissenschaft und Technik so beflügelt wie die des Lasers vor fast sechzig Jahren. Anfangs noch verspottet als eine Lösung für ein Problem, dass noch zu suchen sei, hat die besondere Lichtquelle mittlerweile fast alle Bereiche erobert. In der Medizin, der Telekommunikation, der Unterhaltungselektronik sind die energiereichen, stark gebündelten Laserstrahlen ebenso wenig wegzudenken wie in der modernen Messtechnik und industriellen Fertigung und Materialbearbeitung. Die Anwendungen des Lasers sind so vielfältig wie die verschiedenen existierenden Lasertypen. Während der kleinste Laser kaum größer ist als ein Sandkorn, füllen die leistungsfähigsten Lasergeräte inzwischen ganze Hallen. Letztere erzeugen extrem hohe Lichtintensitäten und kurze Lichtpulse. Die meisten Entwicklungen  wären aber ohne die Erfindung zweier Laserpioniere – Donna Strickland und Gérard Mourou – nicht denkbar.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Erst im vergangenen Jahr mit dem Nobelpreis für Physik geehrt, waren die beiden Forscher dieses Jahr zum ersten Mal zu Gast in Lindau. Besonders auf den Vortrag von Donna Strickland (siehe Video) waren die Jungwissenschaftler gespannt. Denn die gebürtige Kanadierin ist nach Marie Curie und Maria Goeppert-Meyer erst die dritte Frau, die den wichtigsten Preis in Physik erhalten hat. „Es ist nicht entscheidend, ob eine Frau oder ein Mann den Nobelpreis erhält“, sagte Donna Strickland in der Lindauer Inselhalle.

          Die junge Doktorandin Donna Strickland hantiert am Auskopplungsmodul der 1,4 Kilometer langen Glasfaser.
          Die junge Doktorandin Donna Strickland hantiert am Auskopplungsmodul der 1,4 Kilometer langen Glasfaser. : Bild: University of Rochester

          Es käme vor allem auf die wissenschaftlichen Leistungen an. Sie selbst habe immer mit männlichen Lehrern und Kollegen zu tun gehabt. Einer ihrer wichtigsten Förderer war Gérard Mourou. Der Franzose forschte gerade an der University of Rochester in New York, als die gebürtige Kanadierin nach ihrem Masterstudium 1981 zu ihm stieß, um eine Doktorarbeit zu beginnen.

          Eine Barriere fällt

          Mourou beschäftige sich in Rochester seit 1979 mit Festkörperlasern, die kurze Strahlungspulse aussenden. Auf diesem Gebiet kamen die Physiker damals nicht mehr voran. Die Laserpulse, die nur einen Bruchteil einer Sekunde dauerten, ließen sich anders als kontinuierliche Laserstrahlen nicht weiter verstärken, ohne das Medium zu beschädigen, das zu ihrer Erzeugung benötigt wird. Strickland und Mourou suchten nach einem Weg, wie sich die Zahl der Lichtteilchen in einen Laserpuls dennoch weiter erhöhen und so dessen Intensität steigern ließ. Sie fanden ihn bei der Lektüre eines Artikels über Radartechnik: Man nehme einen Laserpuls, dehne ihn in der Zeit und verstärke ihn, um den Puls anschließend wieder zu komprimieren und so seine Dauer zu reduzieren. Durch das Stauchen werden quasi mehr Photonen in ein kleineres Volumen gepresst. Der ursprüngliche Laserpuls wird dadurch kürzer und erheblich intensiver. Das Verstärkermedium wird geschont, weil die Spitzenleistung des zeitlich gedehnten Pulses unter die zerstörerische Schwelle gesenkt wird.

          Funktionsschema „Chirped Pulse Amplification“ (CPA)
          Funktionsschema „Chirped Pulse Amplification“ (CPA) : Bild: Johan Jarnestad

          Tatsächlich war das Verfahren jedoch schwer zu verwirklichen. Alle Komponenten, die die Pulse durchliefen, mussten aufeinander abgestimmt werden. Kopfzerbrechen bereitete die Glasfaser, die zum Spreizen der einfallenden Laserpulse notwendig war. Es durfte unterwegs kein Licht verlorengehen. Es war einer der Aufgaben Stricklands, eine Lösung zu finden. Erste Versuche mit einer 2,5 Kilometer langen Faser scheiterten, da keine Laserpulse am Ende auftauchten. Irgendwo war der Lichtleiter gebrochen. Strickland brach die Faser entzwei. Und es funktionierte: Auch eine Länge von 1,4 Kilometern reichte für den erwünschten Dehnungseffekt vollkommen aus.

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