Forschungsverbund Berlin

Lasersysteme mit hohen Einzelpulsleistungen

| Redakteur: Hendrik Härter

Spiegel eines Laserverstäkers. MBI-Physiker wollen die Einzelpulsleistung ihrer Laser weiter erhöhen und damit mittlere Laserleistungen im Kilowattbereich erzielen. (Bild: Uwe Bellhäuser)
Spiegel eines Laserverstäkers. MBI-Physiker wollen die Einzelpulsleistung ihrer Laser weiter erhöhen und damit mittlere Laserleistungen im Kilowattbereich erzielen. (Bild: Uwe Bellhäuser)

Physiker des Max-Born-Instituts (MBI) in Berlin wollen in enger Zusammenarbeit mit den Diodenlaserspezialisten des Ferdinand-Braun-Instituts (FBH) Laser entwickeln, die hohe Einzelpulsleistungen haben und mindestens einhundert Mal pro Sekunde abgefeuert werden können.

Hochintensitätslaser sind ein relativ junges Produkt der physikalischen Forschung. Sie können einzelne Lichtpulse mit unvorstellbarer Leistung aussenden – weit mehr als die Leistung aller Kraftwerke dieser Welt zusammen. Dabei drängt sich die Energie des Einzelpulses auf einen Zeitraum zusammen, der deutlich kürzer ist als ein Millionstel einer millionstel Sekunde. Wegen ihrer hohen Einzelpulsleistung sind solche Laser dabei, viele Gebiete der Naturwissenschaften, Technik und Medizin zu revolutionieren. Sie dienen unter anderem der Erzeugung neuer Materiezustände, der Ultrapräzisionsbearbeitung von Materialien oder zur Erzeugung von Teilchen- oder Photonenstrahlung mit bisher unerreichten Eigenschaften. Man erwartet sogar, dass innerhalb des nächsten Jahres erstmals die Kernfusion mittels Hochintensitätslasern demonstriert werden kann – vielleicht ein Schritt zu einer vergleichsweise sauberen und praktisch unerschöpflichen Energiequelle.

Eine technologische Lücke besteht jedoch bei fast allen diesen Lasern: Die Wiederholrate ihrer Lichtpulse ist beschränkt und liegt bei 10 mal pro Sekunde, das entspricht 10 Hertz, oder deutlich darunter. «Wenn auch die Einzelpulse ungeheuer leistungsstark sind, die Gesamtleistung oder auch mittlere Leistung herkömmlicher Hochintensitätslaser beträgt kaum mehr als 10 W. Das ist vergleichbar mit einer Energiesparlampe», sagt MBI-Direktor Professor Wolfgang Sandner, in dessen Bereich das neue Projekt angesiedelt ist.

Pikosekunden-Laser mit hoher Pulsenergie

In diese Lücke stößt die neue MBI-Laserentwicklung. Das Institut besitzt seit einigen Jahren eine weltweite Spitzenposition auf dem Gebiet von Pikosekunden-Lasern hoher Pulsenergie und Wiederholrate, also hoher mittlerer Leistung. Diese Systeme können dank einer hocheffizienten Kühlung des Lasermaterials mehr als hundertmal pro Sekunde abgefeuert werden. «Um bei diesen Lasern die mittlere Leistung noch weiter zu steigern, wollen wir vor allem die Energie der Einzelpulse erhöhen, zunächst auf einige Joule, später wahrscheinlich auf deutlich mehr», kündigt der MBI-Projektleiter Dr. Ingo Will an. Solche Laser hätten dann eine mittlere Leistung im Kilowattbereich mit Pulsdauern von Pikosekunden und sehr hohen Einzelpulsenergien, was bis jetzt noch von keinem Laser erreicht wird.

Dringend benötigt werden solche Laserkraftpakete zum Beispiel als technologische Basis für das europäische Großobjekt ELI. Das Kürzel steht für Extreme Light Infrastructure, den künftig weltweit leistungsstärksten Laser für die Grundlagenforschung. Erste Entwürfe für das Front-end eines 10-PW-Lasers, Demonstrator für das ELI-Projekt, sind bereits abgeschlossen. Der Pumplaser für dieses Frontend wird zurzeit am MBI gebaut und soll demnächst an das Institut d'Optique in Palaiseau, Frankreich, ausgeliefert werden.

Scheibenlaser als Energiequelle von Hochintensitätslasern

Das Grundkonzept der neuen Laser ist ein vollständig dioden-gepumpter Festkörperlaser. Eine der erfolgversprechendsten Laserarchitekturen, die Scheibenlaser-Architektur, wurde von den Kooperationspartnern IfSW Stuttgart, DLR Stuttgart und TRUMPF Lasertechnik übernommen und in den letzten Jahren mit Mitteln der Berliner Technologieförderung PROFIT und des Leibniz-SAW-Programms weiterentwickelt. Vom Projektpartner FBH kommen neuartige Pumpdioden für die Scheibenlaser. Gefördert wird das jetzt bewilligte EFRE-Projekt über die Senatsverwaltung für Bildung, Wissenschaft und Forschung des Landes Berlin.

Als ersten Meilenstein im eigenen Hause wollen die MBI-Forscher mit dem neuen Laser einen weltweit einzigartigen kompakten Röntgenlaser mit Energie versorgen. Mit einer Wellenlänge von 13 nm und einer Wiederholrate von 100 Hz soll er im Labor kohärente Röntgenstrahlung erzeugen, wie es sonst nur große Freie-Elektronen-Laser wie FLASH in Hamburg können. Langfristig sollen Scheibenlaser als Energiequelle für die nächste Generation von Hochintensitätslasern dienen. Außerdem plant das MBI den Aufbau einer Hochleistungs-Attosekundenquelle in Zusammenarbeit mit Prof. Marc Vrakking, dem neu berufenen Direktor am MBI.

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