Rekordverdächtige Laserpulse

Es ist das leistungsstärkste vollständig Dioden-gepumpte Laser­system der Welt: Mit POLARIS verfügt die Friedrich-Schiller-Universität Jena über einen Laser der Petawatt-Klasse, der Pulse mit der derzeit höchsten Spitzen­leistung erreicht. Jetzt konnten die Physiker um Malte Kaluza vom Institut für Optik und Quanten­elektronik die Leistungs­fähigkeit von POLARIS noch einmal deutlich steigern. Erstmals ist mit dem Laser eine Pulsenergie von über 50 Joule erzeugt worden, mehr als dreimal so viel wie bisher.

50 Joule benötigt man, um einen 500 Gramm schweren Gegenstand etwa 10 Meter anzuheben; um die Temperatur von einem Glas Wasser um ein Grad zu erhöhen, benötigt man jedoch bereits 17-mal so viel Energie. Für einen Hoch­leistungs­laser wie POLARIS klingen 50 Joule daher zunächst eher bescheiden. „Doch diese Energiemenge wird von unserem Laser in einem winzigen Zeitfenster freigesetzt“, erläutert Kaluza. Die Laserpulse haben eine Dauer von gerade einmal 120 Femtosekunden. In diesem unvorstellbar kurzen Moment erreicht der Laser damit eine Spitzen­leistung von mehreren Hundert Terawatt. Das ist ein Vielfaches der elektrischen Leistung, die weltweit produziert wird.

Diese Leistungssteigerung ist das Ergebnis einer monate­langen Entwicklung. „Der wesentliche Aufbau des Lasers ist zwar unverändert“, unterstreicht Kaluza, „doch viele kleine Details konnten entscheidend verbessert werden.“ Ermöglicht wurden die jetzigen Ergebnisse auch durch eine jahrelange Kooperation mit der lokalen Optik­industrie – vor allem mit der Jenoptik AG, der Lastronics GmbH, der Hellma Materials GmbH und der Layertec GmbH – die einige Kern­komponenten des Lasers lieferten. In dem letzten und größten Verstärker von POLARIS kommt jetzt z. B. mit Ytterbium dotiertes Kalzium-Fluorid zum Einsatz. Auch die optischen Beschichtungen der vom Laser stark beanspruchten Materialien sind immer weiter optimiert worden. „Alle kleinen Veränderungen zusammen­genommen ermöglichen jetzt eine wesentlich höhere Laser­energie“, so Kaluza. Der Laser­physiker deutet aber auch an, dass bei den aktuell erreichten 54,16 Joule für ihn noch lange nicht Schluss ist.

Als nächsten Entwicklungsschritt plant der Inhaber des Lehr­stuhls für Experimental­physik und Relativistische Laserphysik nun, die Pulsdauer von POLARIS noch weiter zu verkürzen. Bis auf 100 Femto­sekunden wolle man diese minimieren. Dabei sei die stetige Steigerung der Laser­leistung jedoch kein Selbstzweck. „Uns geht es nicht um immer neue Rekorde“, so Kaluza. Ziel der Entwicklung sei es vielmehr, POLARIS für konkrete Anwendungen nutzbar zu machen. Vor allem als Teilchen­beschleuniger soll der Laser in Zukunft zum Einsatz kommen. „Wir haben bereits erste Experimente dazu bei niedrigeren Puls­energien und mit längeren Laser­pulsen gemacht und jetzt sind wir sehr gespannt, wie die Teilchen­energie mit der deutlich höheren Laserenergie bei gleich­zeitig kürzeren Pulsdauern skaliert.“

Intensive und hochenergetische Ionenstrahlung lässt sich beispiels­weise bei der Behandlung von Tumoren einsetzen. Bislang werden energiereiche Teilchen jedoch mit enormem technischen Aufwand in riesigen Beschleuniger­anlagen erzeugt. „Mit der jetzt erreichten Energie bringen wir auch vergleichsweise ,handliche‘ Lasersysteme wie POLARIS als alternative Quelle solcher Teilchen­strahlung ins Spiel. Wir sind nun sehr gespannt, zu welchen Teilchen­energien wir mithilfe unserer neuen Laser­pulse vordringen können“, sagt Kaluza.

FSU / DE