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Neuer Rekord der Laserintensität

Physiker erzeugen erstmals Laserpulse mit 100 Trilliarden Watt pro Quadratzentimeter

Laser
Das neu entwickelte Lasersystem erzeugt Pulse mit einer Intensität von 1,4 x 1023. © Institute for Basic Science (HG: Getty images)

Strahlender Meilenstein: Forscher haben ein Lasersystem mit zuvor unerreichter Stärke konstruiert. Die Intensität der ultrakurzen, auf gut einen Mikrometer Durchmesser konzentrierten Laserpulse erreicht 1023 Watt pro Quadratzentimeter – das entspricht einer Fokussierung des gesamten auf die Erde treffenden Sonnenlichts auf nur einem hundertstel Millimeter. Diese Rekord-Intensität eröffnet nun ganz neue Forschungsmöglichkeiten.

Ob Alltagsanwendungen, Quantentechnologie oder Grundlagenforschung: Ohne Laser geht heute kaum noch etwas. Je nach Energie und Wellenlänge haben die parallelen, im gleichen Takt schwingenden Lichtwellen der Laser unzählige Anwendungen. Mit ihnen lassen sich Atome kühlen und einsperren, Daten übermitteln, aber auch Messungen vom Mikrokosmos bis zu Gravitationswellen durchführen.

Immense Lichtstärken auf kleinsten Raum

Um jedoch in die tiefsten Geheimnisse der Materie oder des Kosmos vorzudringen, werden Laser benötigt, die extreme Lichtenergien auf kleinsten Raum fokussieren. 2004 gelang es einem Team der University of Michigan, die bislang stärksten Laserpulse von 1022 Watt pro Quadratzentimeter zu erzeugen. Seither arbeiten Laserforscher weltweit daran, diese Intensität noch zu steigern.

Jetzt ist es gelungen: Forscher um Jin Woo Yoon vom Institut für Grundlagenforschung (IBS) in Südkorea haben erstmals Laserpulse erzeugt, die eine Intensität von mehr als 1023 Watt pro Quadratzentimeter erreichen – zehnfach mehr als der Vorgänger. „Dieser Laser wird es uns erlauben, neue wissenschaftliche Herausforderungen anzugehen“, erklärt Yuuns Kollege Chang Hee Nam. „Wir können damit endlich einige theoretische Ideen überprüfen, die teilweise schon vor 100 Jahren aufgestellt wurden.“

Laseraufbau
Aufbau des Lasersystems. (BS: Strahlteiler, DM: deformierbare Spiegel, OAP: Parabolspiegel, OL: Objektivlinse, WFS: Wellenfrontsensoren, EM: Energiemeter) © Institute for Basic Science

Laserpulse erst verstärkt, dann geglättet und komprimiert

Um einen Laserpuls dieser Intensität zu erzeugen, sind zwei Dinge nötig: Man braucht einen Laser mit extrem hoher Leistung und man muss den Strahl dieses Lasers auf einen möglichst kleinen Punkt fokussieren. Die Leistung liefert ein vier Petawatt starker Titan-Sapphir-Laser am Center for Relativistic Laser Science (CoReLS) des IBS. Um die Energie seiner Femtosekunden-Laserpulse weiter zu erhöhen, nutzte das Team zunächst mehrere Verstärker, durch die der Laserstrahl jedoch sukzessive bis auf 28 Zentimeter Durchmesser aufgeweitet wurde.

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Weil dabei auch die Pulslänge bis auf einen Nanometer gedehnt wurde, wurde diese anschließend wieder auf Femtosekundenlänge komprimiert. Um den Laserstrahl jedoch wieder zu fokussieren und so auf hohe Intensität zu bringen, mussten Yoon und sein Team zunächst Wellenfront-Verzerrungen korrigieren, die bei der Verstärkung entstanden waren. Dafür setzten sie deformierbare Spiegel an, die ähnlich wie die adaptiven Optiken moderner Teleskope die Störeffekte ausglichen.

Im letzten Schritt wurde der nun geglättete und auf kurze Pulse gebrachte Laserstrahl von einem Parabolspiegel fokussiert. Die Strahlweite verringerte sich dadurch von 28 Zentimetern auf nur noch 1,1 Mikrometer.

Nutzbar von Astrophysik bis QED

Sensoren und eine Spezialkamera bestätigten dann, dass die resultierenden Laserpulse eine Intensität von 1023 Watt pro Quadratzentimeter erreichten – Weltrekord. Der Laser bündelt damit umgerechnet das Äquivalent der gesamten irdischen Sonnenstrahlung auf nur zehn Mikrometern. „Der CoReLS-Petawattlaser ist damit der stärkste Laser der Welt“, sagt Nam. „Mit dieser Intensität – der höchste je erreichten – können wir nun ganz neue Gebiete der experimentellen Forschung erschließen.“

Unter anderem hoffen die Physiker, mit ihrem Superlaser die Feinheiten der Quantenelektrodynamik näher zu erkunden – der Gesetzmäßigkeiten, die die Interaktion geladener Elementarteilchen prägen. Aber auch astrophysikalische Phänomene wie die kosmische Strahlung oder die Vorgänge im Umfeld Schwarzer Löcher könnten Experimente mit diesem Laser erhellen. „Das könnte uns helfen, unsere Wissenshorizont zu erweitern“, so Nam. (Optica, 2021; doi: 10.1364/OPTICA.420520)

Quelle: Institute for Basic Science, The Optical Society

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