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 – so viel Energie muss man aufwenden, um einen 500 Gramm schweren Gegenstand etwa zehn 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 – eine Femtosekunde ist der millionste Teil eines Milliardstels einer Sekunde – erreicht der Laser damit eine Spitzenleistung von mehreren Hundert Terawatt (TW). 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 Prof. 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.
Weiter steigerbar
In dem letzten und größten Verstärker von POLARIS kommt jetzt beispielsweise 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.
Anwendungen im Blick
„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.
(Friedrich-Schiller-Universität Jena, 22.02.2016 – NPO)
