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26.05.2008

Einer der stärksten Laser in Deutschland in Betrieb genommen


In nur einem Jahr ist es der Arbeitsgruppe "Laser-Teilchenbeschleunigung" am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) gelungen, ein neues Hochintensitätslaser-Labor aufzubauen, das am 22. Mai 2008 durch die sächsische Wissenschaftsministerin Dr. Eva-Maria Stange in Betrieb genommen wurde. Der neue Laser kann Lichtpulse mit der enormen Leistung von 150 Terawatt (TW) erzeugen und ist damit derzeit der leistungsstärkste Ultrakurzpuls-Laser in Deutschland. Für einen winzigen Moment wird im Brennfleck des Laserstrahls eine Lichtintensität erreicht, welche derjenigen entspricht, die die Sonnenstrahlung durch ein Brennglas, das so groß ist wie die gesamte Erde, auf einer Bleistiftspitze bewirken würde.

Europaweit existieren in der Leistungsklasse des neuen Rossendorfer Lasers nur eine Handvoll vergleichbarer Systeme. Trotz der unvorstellbaren Pulsleistungen brauchen solche Laser nur wenig Platz - aufgrund ihrer ultrakurzen Pulse von einigen 10 Femtosekunden (100 Femtosekunden braucht Licht, um die Breite eines menschlichen Haares zu durchqueren) kommen sie bei 10 Pulsen pro Sekunde mit der mittleren Leistung einer Glühbirne aus. Im Puls ist das Licht jedoch so intensiv, dass es beim Auftreffen auf Materie deren Bausteine, die Atome und Elektronen, trennt. Die Gesetze, die normalerweise bei der Wechselwirkung von Licht und Materie gelten, ändern sich dramatisch: Elektronen werden auf mikroskopischen Strecken in Richtung des Laserpulses auf Energien beschleunigt, die sonst nur mit großen Beschleunigeranlagen erreicht werden können.

Das noch sehr junge Gebiet der Laser-Teilchenbeschleunigung hat also verglichen mit der klassischen Beschleunigertechnologie den Vorteil, extrem kompakte Teilchenbeschleuniger bauen zu können. Normalerweise sind die Beschleunigungsstrecken - wie z.B. beim Elektronenbeschleuniger ELBE am FZD - mehrere Meter lang. Bei der Laser-Teilchenbeschleunigung genügen einige Millimeter, um Beschleunigungsspannungen von mehreren 100 Millionen Volt zu erzeugen. Besonders die Medizin setzt große Hoffnungen in die neue Technologie und erwartet kompaktere und folglich preiswertere Anlagen zur Strahlentherapie bei Krebserkrankungen. Zu den weiteren möglichen Anwendungen ultrakurz gepulster Laser zählen z.B. auch moderne Lichtquellen im Röntgenbereich.

Erste Experimente zur Beschleunigung von Teilchen sind am FZD im Sommer dieses Jahres geplant. "In den nächsten Tagen wollen wir den nächsten Meilenstein auf dem Weg dahin erreichen und die Fokussierbarkeit des Laserstrahls auf eine winzige Fläche von einigen Mikrometern Durchmesser demonstrieren", sagt Dr. Ulrich Schramm, Leiter der Arbeitsgruppe Laser-Teilchenbeschleunigung. Dies ist eine Grundvoraussetzung für physikalische Anwendungen, da die Intensität des Laserstrahls umso größer ist, je kleiner die Fläche wird, auf die man ihn richtet. Da jeder Laserpuls nur sehr kurz ist, ähnelt der noch unfokussierte Laserstrahl bei einer Breite von ca. 10 cm mehr einem fliegenden hauchdünnen Blatt Papier.

Die FZD-Wissenschaftler wollen die Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Laser-Teilchenbeschleunigung vorantreiben. Der neue Laser steht nur am Anfang der Entwicklung noch leistungsfähigerer Laser am FZD. Die anvisierten langfristigen Anwendungen z.B. im medizinischen Bereich im Auge, haben die Forscher das Ziel, die Beschleunigungsprozesse reproduzierbar zu beherrschen. "Mit unserem Laser befinden wir uns nicht nur in der höchsten Leistungsklasse in diesem Pulsbereich", sagt Dr. Schramm, "sondern verfügen vor allem über die ausgezeichnete Reinheit der Pulse, die nötig ist, um hauchdünne Folien zu beschießen, bevor diese verdampfen". Dazu werden hauchdünne, beispielsweise mit Kunststoff beschichtete Metallfolien verwendet. Um beispielsweise Protonen, also Wasserstoffkerne, zu beschleunigen, fokussieren die Wissenschaftler das Laserlicht auf eine solche Folie. Das Licht drückt Elektronen auf der Rückseite heraus. Da sich unterschiedliche Ladungen anziehen, entsteht so ein senkrechtes Kraftfeld, das die positiv geladenen Protonen beschleunigt.

Der neue Hochintensitäts-Laser befindet sich in der ELBE-Halle im FZD in unmittelbarer Nähe des Elektronenbeschleunigers ELBE. Durch die Kopplung beider Geräte können in einem weiteren Schritt einmalige Experimente zur Laserbeschleunigung von Elektronen durchgeführt werden. Davon versprechen sich die Forscher hochenergetische Elektronenpulse hoher Qualität, wie sie zum Treiben von kompakten und dennoch brillanten Röntgenquellen eingesetzt werden könnten.

Quelle: Forschungszentrum Dresden-Rossendorf




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