Jenseits der Grenzen: Theoretiker berechnen Leistung der neuen Lasergeneration

Tajima ist Professor an der Ludwig-Maximilians-Universtät München (LMU) und Mitglied im Exzellenzcluster „Munich-Centre for Advanced Photonics“ und gilt als Vater der Beschleunigung von Teilchen durch Licht. Mourou ist Professor an der Ecole Polytechnique und Direktor des Institut de Lumière Extrême in Palaiseau und erfand die „Chirped Mirrors“, die die Laserentwicklung entscheiden vorangetrieben haben. Beide arbeiten zusammen im europäischen Projekt „Extreme Light Infrastructure“ (ELI).

Die beiden führenden Laserexperten kommen in ihrem Artikel zu einer erstaunlichen Schlussfolgerung, die sie sowohl theoretisch untermauern wie durch Simulation bestätigt haben. Bisher waren alle Experten davon ausgegangen, dass sich die kürzesten Pulse nur durch immer stärkere Laserleistung erzielen lassen. Der Zusammenhang, so fanden auch die beiden Wissenschaftler ist richtig, aber umgekehrt: Um die Grenze hin zu einer immer höheren Pulsintensität zu verschieben, muss die Pulsdauer kürzer werden. Einer der Meilensteine in der Laserentwicklung wurde erreicht, als die Pulsdauer 2,6 Femtosekunden (10-15 Sekunden) erreicht hat. Dieser Wert entspricht einer einzigen Lichtwelle des Titan-Saphir-Lasers. Für noch kürzere Pulse war eine neue Technik der Erzeugung von kohärentem Licht nötig. Der kurze Puls entsteht, indem ein kohärenter Femtosekundenstrahl im Vakuum Elektronen aus einem Gasatom schlägt, die dann ihre Energie in Form von extrem kurzwelligem Licht wieder abgeben. Mit dieser Technik erreichte Prof. Ferenc Krausz (LMU/Max-Planck-Institut für Quantenoptik) den Weltrekord von 80 Attosekunden (10-18 Sekunden) für einen Puls.

Mit der unvorstellbare Energie von 1018 Watt pro Quadratzentimeter gelten für die Theoretiker andere Gesetze, denn dann bewegen sich die Elektronen nicht mehr linear zur eingestrahlten Energie: Sie verhalten sich relativistisch und ändern ihre Masse im eingestrahlten Laserlicht. Ein energiereicher Laserpuls von wenigen Attosekunden erzeugt dann eine dünne fliegende Scheibe von Elektronen, die das Licht wie ein Spiegel reflektiert. Das so erzeugte Licht hat eine Wellenlänge, die im Bereich der harten Röntgen- oder gar Gammastrahlung liegt und kohärent ist.

Tajima und Mourou haben berechnet, dass dieser Puls eine Dauer von 100 Yoktosekunden (10-24 Sekunden) und eine Leistung von etwa 1024 Watt pro Quadratzentimeter haben wird. Der geplante ELI-Laser soll genau das erreichen: „ELI wird der Laser mit der weltweit höchsten Intensität werden“ erläutert Mourou, der das europäische Großprojekt koordiniert.

„Mit dieser Leistung wird es möglich sein, sehr effektiv und auf kleinster Fläche Teilchen zu erzeugen und zu beschleunigen. Das ist nicht nur wissenschaftlich bei der Untersuchung des Vakuums höchst interessant, sondern bietet erstmals in der Geschichte der Menschheit die Möglichkeit zu sehen, was in einem Atomkern passiert“ ergänzt Tajima.

DOI:10.1126/science.1200292