Intensiver Laserstrahl

So hell wie das gebündelte Sonnenlicht

Von Manfred Lindinger
22.05.2021
, 09:00
Blick ins Innere des 500 Terawatt starken Hercules-Lasers
Der Laser bricht immer neue Rekorde. Südkoreanische Physiker haben den intensivsten Lichtstrahl hergestellt. Dieser ist so hell, als würde man die einfallende Sonnenstrahlung auf einen winzigen Fleck bündeln.
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Mit einer Leistungsdichte von 10⊃2;⊃3; Watt pro Quadratzentimeter haben südkoreanische Forscher vom Forschungsinstitut IBS in Gwangju den bislang intensivsten Laserstrahl erzeugt. Den bisherigen Rekord mit 10⊃2;⊃2; Watt pro Quadratzentimeter hielten seit 2004 Physiker von der University of Michigan mit dem Hercules-Laser. Will man derart intensive Laserstrahlen generieren, benötigt man einen leistungsstarken Laser, deren kurze Lichtpulse auf einen möglichst kleinen Fleck gebündelt werden.

Der Hercules-Laser bringt es mittlerweile auf eine Leistung von 500 Billionen Watt (Terawatt). Noch stärker ist die Lichtquelle aus Südkorea. Sie erreicht vier Billiarden Watt (Petawatt). Solche Petawatt-Laser zählen zu den stärksten derzeit verfügbaren Lichtquellen. Wie Jin Woo Yoon und seine Kollegen in der Zeitschrift Optica berichten, haben sie den Strahl ihres Titan-Saphir-Lasers auf einen nur 1,1 Mikrometer großen Punkt fokussiert. Die Lichtpulse waren hierbei nur Bruchteile einer Sekunde, 20 Femtosekunden, lang.

3D-Strahlprofil eines Laserpulses mit der höchsten Intensität
3D-Strahlprofil eines Laserpulses mit der höchsten Intensität Bild: IBS

Den Ausschlag für den Rekord gab im Wesentlichen eine Technik, die von Donna Strickland und Gérard Mourou Anfang der achtziger Jahre entwickelt worden war, um intensive Laserstrahlen noch weiter zu verstärken, ohne das Lasermedium zu zerstören. Das Rezept: 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.

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Im Jahr 2018 hatten Strickland und Mourou für ihr revolutionäres Verfahren, das den Weg für die Entwicklung leistungsstarker Tera- und Petawatt-Laser geebnet hat, den Physik-Nobelpreis erhalten. Weil man bei dieser Chirp-Technik die Laserpulse verlängern und wieder auf die ursprüngliche Dauer verkürzen muss, kann es zu Verzerrungen und Fluktuationen in der Wellenfront kommen. Diese störenden Effekte haben Jin Woo Yoon und seine Kollegen mit speziellen deformierbaren Spiegeln korrigiert. Mit einem Parabolspiegel wurden die auf mehrere Zentimeter aufgeweiteten Laserpulse zu einem kleinen Lichtfleck fokussiert. Der gebündelte Laserstrahl sei so intensiv, als würde die auf die Erde einfallende Sonnenstrahlung auf einen nur zehn Mikrometer großen Fleck fokussiert werden, so die Forscher.

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Intensive Laserstrahlen kurzer Dauer haben Einzug in viele praktische Anwendungen gefunden, etwa in der Metallbearbeitung oder in der Chirurgie. Die Forscher um Jin Woo Yoon wollen ihre Lichtpulse vor allem für die Grundlagenforschung nutzen, um beispielsweise theoretische Vorhersagen nichtlinearer Quantenphänomene experimentell zu überprüfen.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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