Nobelpreis 2018: Laser, die etwas schaffen

Heute werden in Stockholm in Erinnerung an Alfred Nobels Todestag die Nobelpreise verliehen. Den Nobelpreis für Physik teilen sich heute zur Hälfte Arthur Ashkin für die Entwicklung optischer Pinzetten und ihre Anwendung in der Biologie und Gérard Mourou und Donna Strickland für ihre Methoden hoch intensive und ultra-kurze Laserimpulse zu erzeugen. Beide Anwendungen habe ich bereits in meinem Blog beschrieben.

Laser spielen in der Wissenschaft eine wesentliche Rolle. Am European XFEL, an dem ich arbeite, ist jede Experimentierstation mit einem modernen Lasersystem ausgestattet. Auch an Synchrotron-basierten Strahlungsquellen sind Laser zur Anregung der Proben keine Seltenheit mehr.

Die dieses Jahr ausgezeichneten Technologien stellen Laser für zwei sehr unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung: Die Laserpipette zum Manipulieren einzelner sehr kleiner und empfindlicher Proben einerseits und die hoch intensiven Laser, die die Proben schnell in ein Plasma verwandeln, andererseits.

Laserpinzetten

Wie Laserpipetten funktionieren, habe ich bereits 2012 in meinem Beitrag Traktorstrahl und Lichtpipette beschrieben: Tropfen mit höherem Brechungsindex als ihre Umgebung brechen das Licht. Die Laserstrahlen werden abgelenkt. Damit übertragen sie ihren Impuls auf den Tropfen und das Licht kann Kraft ausüben. Das schöne daran ist, dass diese Methode gerade dann am besten funktioniert, wenn der Tropfen transparent ist. Er absorbiert dann kein Licht und wird nicht aufgeheizt.

Hoch intensive Laser

Das genaue Gegenteil sind hoch intensive Laser. Sie erreichen Leistungsdichten, die jedes Atom instantan seiner Elektronen berauben und Materie in ein Plasma überführen. Auch über diese Laser habe ich geschrieben.

Wie aber erzeugt man Laser, die so intensiv sind? Wenn die Intensität jedes Atom zerstören kann, zerstört sie auch das Spiegelmaterial und erst recht das Licht verstärkende Medium. Gute Laserspiegel reflektieren beinahe 100% des Lichtes, mindestens 99,999%. Maximal ein Tausendstel Prozent wird absorbiert und kann so den Spiegel zerstören. Es reicht daher aus die Spiegel zu schützen, indem man sie groß macht und so die Laser-Energie über eine größere Fläche verteilt.

Das Verdienst von Gérard Mourou und Donna Strickland ist ein Verfahren, das verstärkende Medium im Laser best möglich auszunutzen ohne die Zerstörungsschwelle, also die Intensität bei der es zerstört wird, zu überschreiten.

Das Lasermedium

Das Lasermedium von hoch intensiven Lasern sind oft Glasplatten, die mit der Seltenen Erde Ytterbium dotiert sind. Es befinden sich also einzelne Ytterbium-Atome im Glas-Material. Diese Atome können in ihrer F-Schale viele verschiedene Elektronen-Konfigurationen annehmen. Dadurch gibt es eine ganze Zahl optisch anregbarer Zustände, die sich zum lasen1 eignen. Leider ist der Laser-Prozess nicht ganz verlustfrei, so dann das Material sich erhitzt und bei zu großer Intensität zerstört werden kann.

Leistung zeitlich verteilen

In hoch intensiven Lasern wird nun die Leistung in den Glasscheiben nicht nur dadurch reduziert, dass man den Laserdurchmesser groß hält; zusätzlich wird der Laser zeitlich gestreckt. Um den Laser dann wieder zu einem Femtosekunden kurzen Impuls zusammenfügen zu können, ändert der Laser innerhalb seines Impulses die Frequenz. Er fängt also zum Beispiel als roter Laser an und durchläuft dann das Spektrum über Grün nach Blau.

Dieser Verlauf der Frequenzen wird als chirp bezeichnet, angelehnt an den Gesang von Vögeln, bei dem sich die Tonhöhe im Verlauf des Lauts ändert. Gechirpte Laserimpulse haben den charm, dass sie sich praktisch beliebig strecken und wieder komprimieren lassen. Das geht mit einem Gitter, das den Laserimpuls in seine Spektralfarben zerlegt, und einem weiteren, das die Farben wieder vereint. Die unterschiedlichen Farben kann man so auf verschiedene Wege schicken. Ein langer Impuls wird gestreckt, indem die früher auftretenden Farben längere Wege durchlaufen als die späteren. Er wird komprimiert, indem die früheren Farben kürzere Wege durchlaufen.

Licht maximal verstärken

So lässt sich ein gechirpter, Femtosekunden kurzer Laserimpuls verstärken: Der Impuls wird zunächst zeitlich gestreckt und dann durch die verstärkenden Glasplatten geschickt. Dort wird nach und nach jede einzelne Farbe verstärkt. Dann wird der Laserimpuls wieder komprimiert und zuletzt durch einen parabolischen Spiegel auf einen kleinen Punkt konzentriert. So erreicht man extreme Leistungsdichten, denen kein Material standhalten kann.

Nobelpreiswürdig

Alfred Nobel stiftete seinen Preis für die wissenschaftlichen Erkenntnisse, die der Menschheit einen großen Nutzen gebracht haben. Die Anwendungen beider hier gewürdigten Technologien sind vielfältig. Laserpipetten und Laser mit extremen Intensitäten sind Werkzeuge. Ihr Einsatz wird über viele Jahre hinaus in der Forschung nützlich sein und sicher dabei helfen in verschiedenen Bereichen neue Erkenntnisse zu gewinnen.

Anmerkungen:
1. Lasen ist das Verb zu Laser: Licht verstärken (amplify) durch stimulierte Emission von Strahlung (radiation).

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Ja, vom Nutzen her ist Chirped Pulse Amplification eindeutig nobelpreiswürdig, denn ohne Chirped Pulse Amplification wäre vieles nicht möglich – und zwar gerade auch das physikalisch Interessante wie etwa Laser, die die nukleare Fusion zünden können oder Laser, die so hohe Photonendichten erzeugen, dass sich Elektronen-/Positronen-Paare bilden (womit man in einen ganz neuen Bereich vorstösst).
    Von der Erfindungs-/Erkenntnishöhe her kommt Chirped Pulse Amplification aber nicht unbedingt auf einen Spitzenplatz im Reich der Physik.
    Doch gerade dass Tüftler (wie C.F.Röntgen oder Strickland) und theoretische Genies (wie Einstein) gleichermassen eine Chance erhalten einen Nobelpreis in Physik zu erhalten, finde ich recht gut. Damit bleibt die Physik geerdet und ehrt eben auch praktische Fortschritte, nicht nur vergeistigte Flüge in hochtheoretische Gefilde.

    In Bezug auf die Chirped Pulse Amplification (CPA) kenne ich selbst keine Alternative, die es erlauben würde solch hohe Laserintensitäten zu erzeugen wie mit CPA. Alternativlos also dieses CPA. Ohne CPA wären wohl auch die Superlaser des Death Star (Star Wars) nicht möglich. Ja, man müsste ganze Science-Fiction Serien in denen Superlaser eine Rolle spielen, als physikalisch nicht möglich qualifizieren.

  2. Der ExtremTech-Artikel Petawatt ‘Death Star’ laser prepares to investigate quantum mechanics, chemistry, and more zeigt, dass ich nicht der einzige bin, der bei Chirped Pulse Amplification auf den Vergleich mit Death Star gekommen ist. Im Artikel wird über HALPS ( High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System) berichtet, ein Laser des Lawrence Livermore National Laboratory, welcher alle 10 Sekunden einen 1 Petawatt Laserstrahl aussenden kann, wobei jeder einzelne Laserpuls nur gerade 30 Femtosekunden andauert.

  3. @Joachim
    .
    Soweit ich weiß sind die energiereichsten Laser bisher noch immer Röntgenlaser, mehr wäre aber mit Gammastrahlen-Laser möglich. Wird es da in absehbarer Zukunft was gegeben? Wird daran gearbeitet, gibt es mögliche Anwendungsgebiete?

  4. @Manuel

    Nein, die Energiereichsten Laser sind alle im UV-Bereich. Das ist einfach der Bereich, in dem Licht-Verstärkung recht unproblematisch funktioniert und die Spiegel gut entwickelt sind. Außerdem wechselwirkt UV gut mit Materie.

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