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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.

          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.

          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)

          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.

          Revolution in der Lasertechnik

          Im Dezember 1985 waren Strickland und Mourou so weit und veröffentlichten ihre Ergebnisse in den „Optics Communications“. Ihnen war es gelungen, 300 Pikosekunden (10⁻¹² Sekunden) lange Laserpulse auf zwei Pikosekunden zu verkürzen und deren Leistung auf das Sechsfache zu erhöhen. „Für mich war es mein erstes Paper überhaupt“, sagte Strickland in Lindau. Sie hätte nie geahnt, dass der Artikel ihr und ihrem Doktorvater 33 Jahre später den Nobelpreis bescheren sollte. Die beiden Forscher verfeinerten ihr Verfahren, indem sie die Glasfaser durch parallele Lichtgitter ersetzten und so einen großen Unsicherheitsfaktor vermieden.

          Die „Chriped Pulse Amplification-Technik“ (CPA) revolutionierte die Lasertechnik, wie Mourou in seinem Vortrag in der Inselhalle ausführte (siehe Video). Fortan konnten in jedem Labor intensive Laserpulse hergestellt werden. Schnell wurden immer wieder neue Rekorde aufgestellt. Nach wenigen Jahren ließen sich kurze Laserpulse mit einer Spitzenleistung von Terawatt (10¹² Watt) und sogar von einem Petawatt (10¹⁵ Watt) erzeugen. Trotz aller Bemühungen ist es bisher nicht gelungen, die Pulsleistung noch weiter zu steigern. Große Hoffnung setzt Mourou auf das von ihm mit initiierte  europäische Laserforschungszentrum ELI, das derzeit in drei osteuropäischen Standorten entsteht. ELI soll erstmals extrem kurze Laserpulse von zehn Petawatt liefern. In den vereinigten Staaten und in Japan sind Laser-Anlagen in Planung, die in den Exawatt-Bereich (10¹⁸ Watt) vorstoßen sollen, wie Mourou berichtete.

          Mit derart hohen Pulsleistungen,  könnten ungeheure Energiemengen für kurze Zeit auf einen winzigen Fleck fokussiert werden. Die Fusion von Atomkernen wäre möglich und die Erzeugung von Materie und Antimaterie aus dem Vakuum, wie Mourou erklärte. Man könnte die Laserpulse auch dazu benutzen, Elektronen, Protonen und selbst Neutronen auf hohe Energien zu beschleunigen. Die Idee dahinter:

          Gérard Mourou, 1987 an seiner Apparatur in Rochester.

          Man regt mit intensiven Laserpulsen ein oszillierendes Plasma in einem Gas an, auf dessen Bugwelle die Teilchen „surfen“ und so beschleunigt werden. Es entsteht ein energiereicher Teilchenstrahl, wie er normalerweise in großen Teilchenbeschleunigern erzeugt wird. Die Vision von Mourou: Über Transmutation langlebige radioaktive Spaltprodukte aus Kernreaktionen in kurzlebige Nuklide umzuwandeln und so das Entsorgungsproblem von radioaktiven Abfällen aus Kernkraftwerken elegant zu lösen.

          Heilende Laserpulse

          Auch die Dauer der Pulse konnte von Piko- auf Femtosekunden (10⁻¹⁵ Sekunden) und auf wenige Attosekunden (10⁻¹⁸ Sekunden) verkürzt werden. Damit lassen sich auch die schnellsten Vorgänge auf molekularer und atomarer Ebene wie in einer Zeitlupe filmen und beobachten. Dadurch konnten viele neue Einsichten in die atomaren und molekularen Prozesse gewonnen werden. Was vor allem für die Grundlagenforschung von Bedeutung sei, so Mourou.

          Intensive Laserstrahlen kurzer Dauer haben Einzug in viele praktische Anwendungen gefunden, Als Werkzeuge in der metallverarbeitenden Industrie werden sie unter anderem zum Schweißen, Sägen und zum Bohren genutzt. Dabei verdampft nur das Material an der fokussierten Stelle. Die Umgebung bleibt unbeschadet. Von der CPA-Technik profitieren weltweit viele Patienten. Chirurgen nutzen intensive Femtosekunden-Laserpulse als Skalpell zum Schneiden von Gewebe, und Augenärzte korrigieren damit Fehlsichtigkeiten, indem sie mit ihnen Gewebe von der Hornhaut abtragen. Rund zwei Millionen Menschen seien bereits mit der Technik behandelt worden, so Mourou, die 1985 ihren Anfang nahm. In Lindau wurde deutlich, dass die einstige „Lösung ohne Problem“ mittlerweile für jede Fragestellung eine passende Antwort parat hat.

          Mein Ziel ist es, die Lebensdauer radioaktiver Abfälle aus Kernkraftwerken mit intensiven Laserpulsen stark zu verkürzen und damit das Problem der Endlagerung zu lösen.“ Gérard Mourou, Nobelpreisträger 2018 ’’

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