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Inaktivität,
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Labortechniker


 In der Projektgruppe für Laserforschung und im Institut für Quantenoptik hatte ich überwiegend mit der Entwicklung von unterschiedlichen Laseraufbauten zu tun. Dies beinhaltete den Erwerb zusätzlicher Kenntnisse in den Bereichen der Elektro- (Hoch- und Niederspannung), Vakuum- Drucklufttechnik, Physik, Chemie und Optik.




Max-Planck-Institut

Projektgruppe für Laserforschung
Das Max-Planck-Institut für
Quantenoptik (MPQ) wurde am 01.01.1981 gegründet. Es ging aus der Projektgruppe für Laserforschung hervor, die von 1976 bis 1980 aufgrund einer Vereinbarung zwischen dem Bundesministerium für Forschung und Technologie und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) Forschungsarbeiten auf dem Lasergebiet durchführte.

Zu den Aufgaben des Instituts gehören die theoretische und experimentelle Erforschung der Wechselwirkung von Laserstrahlung mit Materie sowie die Entwicklung neuer Lasersysteme und deren Anwendung in der Atomphysik, Spektroskopie, Chemie, Plasmaphysik, und in der Quantenoptik. Eine besondere Laseranwendung stellt ein Experiment zum Nachweis von Gravitationswellen dar: Zum Aufbau des Gravitationswellen-Interferometers GEO600 wurde am 01.01.1994 an der Universität Hannover eine Außenstelle des Instituts gegründet. Als Auswärtige wissenschaftliche Mitglieder unterstützen Prof. M.O. Scully von der Texas A&M University in College Station, Texas/USA und Prof. R.D. Levine von der Hebrew University in Jerusalem/ Israel die theoretischen und experimentellen Arbeiten des Instituts.

Laser,

Kurzbezeichnung für einen Lichtverstärker.

im allgemeinen Sinn jede Intensitäts- oder Häufigkeitsverteilung von Bestandteilen eines Gemischs nach einer gemeinsamen Eigenschaft.

Laser steht für den englischen Ausdruck light amplification by stimulated emission of radiation, also Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsfreisetzung. Laserlicht kann im Spektralbereich zwischen Infrarot- und Ultraviolettstrahlung erzeugt werden und ist monochromatisch (eine Spektrallinie) sowie kohärent - ein Lichtstrahlenbündel ist kohärent, wenn sich alle seine Wellen bzw. Photonen phasengleich ausbreiten. Dies ist der Grund, weshalb sich Laserlicht mit extrem hoher Intensität, äußerst geringer Strahlaufspaltung und hoher Farbreinheit (Frequenzschärfe) erzeugen lässt. Maser sind Pendants der Laser im Bereich der Mikrowellen. Das Grundprinzip von Lasern hat folgenden physikalischen Hintergrund: Atome, Ionen und Moleküle können in verschiedenen Energiezuständen vorkommen. Befindet sich beispielsweise ein Atom in einem angeregten Zustand (auf einem höheren Energieniveau), so kann es nach einer gewissen Zeitspanne in einen energetisch niedrigeren Zustand übergehen. Zwischen dem angeregten Zustand und dem Grundzustand können energetisch weitere Niveaus liegen. Der Übergang kann also auch stufenweise erfolgen, wobei das angeregte Atom die Anregungsenergie in Form von Photonen abgibt (spontane Emission). Jedes dieser Photonen ist seinerseits in der Lage andere Atome zur Strahlungsemission anzuregen, d. h. die spontan freigesetzten Photonen stimulieren andere Atome zur Aussendung weiterer Photonen (stimulierte Emission) und gehen aus diesem Prozess unverändert hervor. Sowohl die spontan emittierten, als auch die stimuliert freigesetzten Photonen stimmen in Energie, Ausbreitungsrichtung und Phase überein. Gemeinsam können beide Photonenarten noch mehr Atome zur Strahlungsemission anregen. Laser nutzen zur Erzeugung von angeregten Atomen eine äußere Energiequelle. Beim so genannten optischen Pumpen bestrahlt man das Lasermaterial mit einer Wellenlänge und bringt auf diese Weise überdurchschnittlich viele Atome in den angeregten Zustand. Die eigentliche Verstärkung besteht nun darin, mit Hilfe der stimulierten Emission innerhalb eines Zeitabschnittes mehr Photonen zu erzeugen als zu vernichten (z. B. Vernichtung durch Absorption). Ein weiterer Aspekt ist die Besetzungsdichte mit Photonen, die bei den energetisch niedrigeren Zuständen natürlicherweise größer ist als bei energetisch höher gelegenen Niveaus. Um diese Verhältnisse umzukehren (dies bezeichnet man als Inversion) muss die externe Energiequelle so auf das Lasermedium einwirken, dass bestimmte höher gelegene Energiezustände bevorzugt besetzt werden. Als Folge dieses optischen Pumpens wächst die Photonenemission im Atomverband schließlich lawinenartig an. Diese Vorgänge laufen in der so genannten optischen Verstärkereinheit des Lasers ab. Neben dem optischen Verstärker enthalten Laser zusätzlich einen so genannten Resonator. Dabei handelt es sich um ein System aus zwei parallelen Spiegeln, zwischen denen die Photonen hin- und hergeworfen werden und die Prozesse im Verstärker vervielfältigen. Der Spiegel auf der Seite des Laseraustritts ist zu einem gewissen Prozentsatz (meist 98 Prozent) lichtdurchlässig. Im Gegensatz dazu lässt der Spiegel auf der anderen Seite kein Licht durch. Beim so genannten Random-Laser übernehmen Licht streuende Teilchen, wie z. B. pulverisiertes Glas, Flüssigkristalle oder auch Partikel bestimmter Farbstoffe die Rolle der optischen Spiegel. Stärke und Farbe von Random-Laser sind temperaturabhängig, d. h., sie lassen sich durch Erwärmen oder Abkühlen der Resonatoreinheit beeinflussen. Bereits 1917 lieferte Albert Einstein eine der ersten theoretischen Abhandlungen, die sich mit dem Thema stimulierte Emission befassten. Den ersten experimentellen Nachweis für eine stimulierte Emission gelang 1928. Im Jahr 1958 beschrieben die Amerikaner Arthur Leonard Schawlow und Charles Hard Townes die Funktionsprinzipien des Lasers in ihrer Patentschrift. Das Patent wurde ihnen zwar zugewiesen, später aber von dem amerikanischen Physiker und Techniker Gordon Gould angefochten. Den ersten experimentellen Nachweis für den Lasereffekt brachte 1960 der amerikanische Physiker Theodore Maiman - er prägte den Begriff "Laser". Maiman nutzte als Lasermaterial einen Rubinkristall. Ein Jahr später baute der im Iran geborene amerikanische Physiker Ali Javan den ersten Helium-Neon-Gaslaser; 1966 schließlich konstruierte der amerikanische Physiker Peter Sorokin den ersten auf einem flüssigen Medium basierenden Laser. Es folgten verschiedene Laser auf Halbleiterbasis. Entsprechend dem jeweiligen Arbeitsmedium unterscheidet man grundsätzlich Festkörper-, Gas-, Halbleiter- und Flüssigkeitslaser. Die gebräuchlichsten Festkörperlasermedien sind Stäbe aus kristallinem Rubin oder Neodym enthaltenden Gläsern oder Kristall. Die Enden eines solchen Stabes sind als zwei parallele Flächen ausgeführt und mit einem hochreflektierenden nichtmetallischen Spiegelbelag versehen. Festkörperlaser bieten die höchste Leistungsausbeute. Sie werden üblicherweise in gepulster Betriebsart benutzt, um einen kurzzeitigen intensiven Lichtblitz zu erzeugen. Kurze Pulse in der zeitlichen Größenordnung von 12×10-15 Sekunden sind erreichbar und wichtig, um etwa physikalische oder biologische Ereignisse von kürzester Dauer untersuchen zu können. Das optische Pumpen geschieht mittels Xenon-Blitzröhren, Lichtbogen- oder Metalldampflampen. Die Frequenzbandbreite kann in den Infrarot- und Ultraviolettbereich erweitert werden, indem mit Hilfe geeigneter Kristalle die Ausgangsfrequenz des Lasers vervielfacht wird, Frequenzen im Röntgenbereich werden erzielt, indem man Yttrium mit Laserstrahlen beschießt. Das Lasermedium eines Gaslasers kann ein reines Gas, ein Gasgemisch oder Metalldampf sein und befindet sich zu diesem Zweck normalerweise in einem zylindrischen Gefäß aus Glas oder einem Quarzrohr. Die zwei Spiegel, die den Laserresonator bilden, sind außerhalb dieses Gefäßes angebracht. Gaslaser werden mit UV-Licht, Elektronenstrahlen, elektrischem Strom oder über chemische Reaktionen gepumpt. Der Helium-Neon-Laser ist bekannt für seine Frequenzstabilität, Farbreinheit und minimale Strahlaufweitung. Kohlendioxidlaser haben einen sehr hohen Wirkungsgrad und sind mithin die leistungsstärksten Laser für den Dauerbetrieb. Halbleiterlaser sind in ihren Abmessungen die kompaktesten Laser und bestehen aus einem Verbund verschiedener Halbleiterschichten mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten. Der Resonator ist durch zwei reflektierende Bruchflächen auf den Bereich der Rekombinationszone beschränkt. Die hierzu am häufigsten verwendeten Halbleitermaterialien sind Galliumarsenid, Indiumphosphid und Galliumnitrid. Das Pumpen erledigt der über das Rekombinationsgebiet fließende elektrische Strom. Halbleiterlaser sind geeignet für den Dauerbetrieb und erreichen Wirkungsgrade über 50 Prozent. Es gibt theoretische Ansätze zu einer Methode, die es gestatten soll, die aufgewandte Energie noch wirksamer auszuschöpfen. Dabei sollen winzige Laser vertikal in Schaltkreisen so angeordnet werden, dass sie in einer Dichte von über einer Million pro Quadratzentimeter zu liegen kommen. Alltagsanwendungen von Halbleiterlasern sind z. B. CD-Spieler und Laserdrucker. Bei einem herkömmlichen Diodenlaser ist die Wellenlänge des emittierten Laserlichts auf einen kleinen Bereich begrenzt und im Wesentlichen vom Halbleitermaterial abhängig. Im Gegensatz dazu sind Forscher mit Hilfe eines so genannten Quantenkaskadenlaser in der Lage, Licht in einem viel breiteren Wellenlängenbereich zu erzeugen. Beim Quantenkaskadenlaser ist das Halbleitermaterial in mehreren dünnen Schichten aufgetragen, wobei p- und n-leitende Zonen einander abwechseln. Die Schichten formieren sich zu sandwichartigen Stapeln, in denen sich Leitungselektronen befinden. Die Stapel bilden diskrete Energieniveaus, die man sich praktisch als energetische Treppe vorstellen kann. Stapelbreite und Schichtdicke bestimmen dabei die Lage dieser Energieniveaus - und damit die energetische Lage der einzelnen Treppenstufen. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung beginnen die Leitungselektronen kaskadenartig die Stapel zu durchtunneln und emittieren nach jeder Treppenstufe Photonen. Aus jeder Stufe wird Strahlung aus einem anderen Wellenlängenbereich emittiert, weil die jeweils unterschiedlichen Stufenhöhen die Energie der Photonen und damit die Wellenlänge bestimmen. Die "Einzelstrahlungen" überlagern sich und bilden so ein breites Spektrum. Die häufigsten flüssigen Lasermedien sind anorganische Farbstoffe in einem Glasgefäß. Sie werden im Pulsbetrieb mit intensiven Blitzlampen oder im Dauerbetrieb mit einem Gaslaser gepumpt. Die Frequenz eines durchstimmbaren Farbstofflasers kann mit Hilfe eines im Resonatorraum befindlichen Glasprismas eingestellt werden. 1977 gelang es, Laser zu kostruieren, die mit Strahlen freier Elektronen (die nicht an Atome gebunden sind) arbeiten. Ähnlich wie Farbstofflaser sind Elektronenlaser durchstimmbar. Sie wären möglicherweise auch dazu geeignet, hochenergetische Strahlung zu erzeugen (z. B. Synchrotronstrahlung). Laser können für eine kaum überschaubare Fülle von Aufgaben eingesetzt werden. Sie sind zu unentbehrlichen Hilfsmitteln in Industrie, Forschung und Wissenschaft, auf dem Kommunikationssektor, in Medizin, Militärtechnologie und vielen Bereichen der Kunst geworden.

EINLEITUNG

Der Nova-Laser im Lawrence-Livermoore-Laboratorium (Kalifornien) ist einer der stärksten Laser der Welt. Bei entsprechender Einstellung vermag diese Anlage Laserintensitäten von rund einem Kilowatt pro Quadratzentimeter zu erzeugen. Zum Vergleich: Die Sonne erreicht 500 Kilowatt pro Quadratzentimeter, eine 100-Watt-Glühlampe etwa ein Milliwatt pro Quadratzentimeter (Milliwatt = ein Tausendstel Watt). Beim Nova-Laser handelt es sich um einen Neodymlaser mit insgesamt zehn Strahlenpartien. Die Anlage arbeitet im Wellenlängenbereich von 0,35 Mikrometer (40 Kilojoule bei einer Pulsfrequenz von 2,5-Nanosekunden) und liefert eine Leistung von rund 16 Terawatt (16 Billionen Watt). Die Aufnahme zeigt die Targetkammer der Anlage. Die Strahlen sehr starker Laser können gebündelt und auf einen sehr kleinen Punkt mit enormer Leistungsdichte konzentriert werden. Dementsprechend kann mit derart gebündelten Strahlen ein bestimmtes Material präzise erhitzt, geschmolzen oder verdampft werden. So können Laser z. B. eingesetzt werden, um Löcher in Diamanten zu bohren, um Maschinenteile auszuformen, um Bauteile der Feinelektronik abzustimmen, zur Wärmebehandlung von Halbleiterchips, zum Zuschneiden von Modeschnittmustern, zur synthetischen Herstellung neuartiger Materialien und für den Versuch, kontrollierte Kernfusion in Gang zu setzen. Die lichtintensiven Kurzzeitpulse, die mit Lasern erzeugt werden können, ermöglichen Hochgeschwindigkeitsphotographie mit Belichtungszeiten von weniger als einer billionstel Sekunde. Die in hohem Maß richtungstreuen Laserstrahlen werden auch zur Ausrichtung im Straßen- und Hochbau eingesetzt. Mit Hilfe von Lasern gelingt mittlerweile auch die Gravur und Verzierung von Glasobjekten. Man benutzt Laser auch, um Bewegungen der Erdkruste zu beobachten sowie für Aufgaben der Erdvermessung und des Vermessungswesens allgemein. Laser zählen zu den besten Instrumenten für die Bestimmung mancher Formen von Luftverschmutzung. Darüber hinaus dienen Laser der genauen Vermessung des Abstands von der Erde zum Mond und bei Versuchen zur Relativitätstheorie. Sehr schnelle lasergesteuerte Schalter für den Einsatz in Teilchenbeschleunigern werden gegenwärtig entwickelt, und man beherrscht bereits Methoden, eine kleine Anzahl von Atomen in einer Vakuumatmosphäre mit Laserstrahlen auf einer festen Position zu halten, um genauestmögliche Studien an ihren Spektren durchzuführen. Ein Problem bei der Anwendung von Lasertechnik in der Mikroelektronik sowie zur Bearbeitung von Halbleiterbauelementen konnte vor kurzem gelöst werden. Die Bündelung und Stärke eines herkömmlichen Lasers ist für diese sich zum Teil im Mikrometerbereich bewegenden extremen Feinarbeiten zu grob. Mit üblichen Methoden lassen sich Strahldurchmesser von etwa zwei zehntel Millimeter erreichen. Einer Forschergruppe der TU Berlin gelang es 1997 einen viel feineren Laserstrahl zu erzeugen. Physikalischer Hintergrund ist ein - bereits bekannter - Effekt, die so genannte stimulierte Brillouin-Streuung (abgekürzt: SBS). Bei einem herkömmlichen Laser wird die Lichtbündelung durch die Erwärmung des Lasermaterials bei Betrieb negativ beeinflusst. Zur Korrektur brachten die Berliner Forscher einen so genannten SBS-Spiegel zum Einsatz. Dieser fasst praktisch das gesamte, aus dem erwärmten Laserkristall kommende Licht zusammen und wirft es in den Kristall zurück, wo es schließlich wieder verstärkt wird. Als Spiegelmaterial nutzten die Forscher Kabel aus Glasfasern und erreichten damit Strahldurchmesser von nur wenigen Tausendsteln eines Millimeters. Weil Laserlicht ein hohes Maß an Richtungstreue (geringe Strahlaufweitung) bietet und monochromatisch ist (also äußerst farbrein), können schon geringste von bestimmten Materialien verursachte Lichtstreuungseffekte oder minimale Frequenzverschiebungen ohne großen Aufwand nachgewiesen werden. Durch Messung solcher Veränderungen konnten Wissenschaftler erfolgreich molekulare Strukturen untersuchen. Mit dem Einsatz von Lasern war es möglich, die Lichtgeschwindigkeit mit einer zuvor unerreichten Genauigkeit zu bestimmen, chemische Reaktionen können mit ihrer Hilfe gezielt in Gang gesetzt werden, und das Vorhandensein von Spurenelementen in Analyseproben lässt sich genau feststellen. Laser kommen ebenfalls zur Untersuchung chemischer Reaktionen oder zur Erforschung von Prozessen im Innern des Atomkerns zum Einsatz. Bei diesen Experimenten nutzt man Laserpulse, die eine Dauer von billiardstel Sekunden (und noch kürzer) besitzen. So konnte beispielsweise 1999 der Übergangszustand einer chemischen Reaktion mittels einer Ultrahochgeschwindigkeitskamera photographisch festgehalten werden, die mit Laserpulsen im Femtosekundenbereich (10-15 Sekunden) arbeitet. Noch kürzere Pulse konnten Experten von der TU Wien Ende 2001 produzieren. Dem Team gelang es, Pulsdauern im Attosekundenbereich (10-18 Sekunden) zu erzeugen. Laserlicht kann im Weltraum große Entfernungen durchlaufen, ohne in seiner Signalstärke nennenswert abgeschwächt zu werden. Aufgrund seiner hohen Frequenz kann Laserlicht beispielsweise das Tausendfache dessen an Fernsehprogrammen übertragen, was derzeit mit Mikrowellen möglich ist. Daher sind Laser ideale Kommunikationsmedien im Weltall. Zur irdischen Kommunikation über Telefone oder in Computersystemen wurden zur Übertragung von Laserlicht verlustarme optische Fasern entwickelt. Lasertechniken werden auch zur Informationsaufzeichnung mit hoher Speicherungsdichte benutzt. Zum Beispiel erleichtert die Lasertechnik das Aufzeichnen eines Hologramms, aus dem mit Hilfe eines Laserstrahles ein dreidimensionales Bild zurückgewonnen werden kann. Intensive gebündelte Laserstrahlen können in Sekundenbruchteilen bestimmte Körpergewebe durchtrennen und ausbrennen, ohne das umliegende gesunde Gewebe zu beschädigen. Laser finden auch Einsatz zum Wiederanbringen der Retina bei Netzhautablösung, um Löcher in Knochen zu bohren und zum Veröden von Blutgefäßen. Für Labortests an kleinen biologischen Proben sind ebenfalls lasergestützte Methoden entwickelt worden. Für operative Eingriffe im Mund- und Kieferbereich finden spezielle Lasergeräte auch in der Zahnmedizin Anwendung, z. B. zur Behandlung von Zahnfleischerkrankungen oder bei Wurzelbehandlungen. Längst gehören Laserleitsysteme für Raketen, Flugzeuge und Satelliten zum Alltag der Militärtechnologie. US-Präsident Ronald Reagan beabsichtigte 1983 für das von ihm favorisierte Weltraum-Verteidigungssystem den Einsatz von Laserstrahlen gegen feindliche Raketen. Die Fähigkeit durchstimmbarer Farbstofflaser, gezielt ein Atom oder Molekül anzuregen, könnte neue Wege zur Isotopentrennung für die Herstellung von Nuklearwaffen eröffnen. Weil das menschliche Auge Laserlicht aufnimmt wie anderes Licht auch, besteht wegen der hohen Lichtleistungskonzentration beim Laser immer die Gefahr von Augenschäden, insbesondere von Netzhautverletzungen. Daher sollte Laserlicht unter keinen Umständen in die Augen gelangen können, weder direkt noch als reflektiertes Licht. Nur besonders ausgebildetes Personal mit geeigneten Schutzbrillen darf mit Lasern hantieren. Seit einigen Jahren versuchten Forschungsteams aus aller Welt einen Laser zu entwickeln, der anstelle von Licht mit Atomen arbeitet (so genannter Atomlaser). Bei einem herkömmlichen Laser werden Lichtwellen (Photonen) zu einem kohärenten Strahl gebündelt (kohärent = zusammenhängend, gleiche Wellenlänge und Schwingungsart). In etwa analoger Weise sollten sich auch Materiewellen - so die Idee - bündeln lassen. Erste fruchtbare Ergebnisse stellten im Frühjahr 1999 deutsche und amerikanische Teams der Öffentlichkeit vor. Die Teams arbeiteten unabhängig voneinander und nutzten für ihre Experimente so genannte Bose-Einstein-Kondensate: Ein Gas aus Atomen (z. B. Rubidiumatome) wird mit einem ausgeklügelten System von Magnetfeldern eingefangen und mit Hilfe modernster Tiefsttemperaturtechnik auf eine Temperatur abgekühlt, die weniger als ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt. Es kommt zur Bildung eines Bose-Einstein-Kondensats, d. h. die Atome nehmen einen Energiezustand an, verlieren ihre Identität und verhalten sich wie eine Einheit. Das deutsche Forschungsteam "bohrte" mit Hilfe von Radiowellen ein kleines Loch in den Magnetkäfig mit dem Bose-Einstein-Kondensat. Durch diese Öffnung entwichen dann Atome und bildeten im Vakuum und unter Einfluss der Gravitation einen feinen Materiestrahl. Das amerikanische Team nutzte zur Freisetzung zwei gegeneinander gerichtete optische Laser, mit denen zwei Lichtpulse auf das Bose-Einstein-Kondensat abgegeben wurden. Die Lichtpulse waren in ihrer Frequenz um einen genau vorher festgelegten Betrag versetzt. Durch diesen "Laserbeschuss" gelang es ebenfalls einen Materiestrahl zu erzeugen, d. h. einige Atome des Kondensats gingen in einen Zustand über, in dem das magnetische Feld des Magnetkäfigs nicht mehr auf sie wirkte. Die Intensität der Lichtpulse bestimmte hierbei die Anzahl der frei werdenden Atome. Gleichzeitig erhielten die Atome einen Impuls, dessen Richtung die Forscher vorgaben, und so Geschwindigkeit und Richtung der frei werdenden Atome definierten. Die technische Entwicklung des "Atomlasers" steht zwar noch am Anfang, aber bereits jetzt eröffnen sich für diesen Lasertyp diverse Anwendungsgebiete. So wäre man beispielsweise in der Lage, nur durch Ablegen einzelner Atome, feinste Nanostrukturen auf Trägeroberflächen zu erzeugen und so neuartige Halbleiterbauelemente oder Computerbausteine zu produzieren. Mit Hilfe besonderer Glasfasern auf der Basis speziell dotierter Gläser gelang es 1999 einem Forschungsteam der Universität Jena einen leistungsfähigen Miniaturlaser zu konstruieren, der keine aufwendige Kühlung bedarf und mit geringer elektrischer Spannung (9 Volt) betrieben werden kann. Das Glas dieses "Faserlasers" besteht im Wesentlichen aus Zirkonium, Aluminium, Barium und Natrium sowie Lanthan. Ebenfalls in Jena entsteht einer der stärksten Laser der Welt. Das Gerät soll laut Planung frühestens Ende 2005 in Betrieb gehen und eine Leistung von einem Petawatt (eine Billiarde Watt) erreichen können. Die erste Spaltung von Urankernen mit Hilfe von Hochleistungslasern präsentierten zwei Forschergruppen aus Großbritannien und den USA im Februar 2000. Beide Gruppen erzeugten zunächst mit einem schwachen Lichtpuls ein so genanntes Elektronenplasma auf der Oberfläche eines Metalls (aus Tantal oder Gold). Das Plasma wird anschließend von einem Hochenergielichtpuls getroffen, die Elektronen absorbieren diese große Energiemenge und fallen ins Metall zurück. Hierbei kommt es zur Emission von Gammastrahlung hoher Energie. Die Gammastrahlen treffen schließlich auf die nahe gelegene Uranprobe und regen die dort befindlichen Kerne zum Zerfall an. Mit Hilfe einer neuen Technik zur Verstärkung von Laserpulsen ist es mittlerweile möglich, Laser auch für Kernumwandlungen einzusetzen. So gelang es 2003 erstmals, die Umwandlung des radioaktiven Isotops Iod 129 in das ebenfalls radiaktive Isotop Iod 128 mit einem Laser zu induzieren. Iod 129 fällt in Kernkraftwerken als Spaltprodukt an und hat eine Halbwertszeit von 15,7 Millionen Jahren. Bei Iod-128 beträgt die Halbwertszeit dagegen nur 25 Minuten - es geht dabei in das stabile Xenon 128 über. Allerdings sind die Mengen, die sich auf diese Weise umwandeln lassen, noch extrem gering und liegen im Bereich von billiardstel Milligramm. Um diese Methode zur Entsorgung von radioaktivem Abfall einsetzen zu können, bedarf es daher noch einer enormen Menge an Entwicklungsarbeit.

Nova-Laser

(Kalifornien)

Der Nova-Laser im Lawrence-Livermoore-Laboratorium (Kalifornien) ist einer der stärksten Laser der Welt. Bei entsprechender Einstellung vermag diese Anlage Laserintensitäten von rund einem Kilowatt pro Quadratzentimeter zu erzeugen. Zum Vergleich: Die Sonne erreicht 500 Kilowatt pro Quadratzentimeter, eine 100-Watt-Glühlampe etwa ein Milliwatt pro Quadratzentimeter (Milliwatt = ein Tausendstel Watt). Beim Nova-Laser handelt es sich um einen Neodymlaser mit insgesamt zehn Strahlenpartien. Die Anlage arbeitet im Wellenlängenbereich von 0,35 Mikrometer (40 Kilojoule bei einer Pulsfrequenz von 2,5-Nanosekunden) und liefert eine Leistung von rund 16 Terawatt (16 Billionen Watt). Die Aufnahme zeigt die Targetkammer der Anlage. Die Strahlen sehr starker Laser können gebündelt und auf einen sehr kleinen Punkt mit enormer Leistungsdichte konzentriert werden. Dementsprechend kann mit derart gebündelten Strahlen ein bestimmtes Material präzise erhitzt, geschmolzen oder verdampft werden.

Einsatzmöglichkeiten,


So können Laser z. B. eingesetzt werden, um Löcher in Diamanten zu bohren, um Maschinenteile auszuformen, um Bauteile der Feinelektronik abzustimmen, zur Wärmebehandlung von Halbleiterchips, zum Zuschneiden von Modeschnittmustern, zur synthetischen Herstellung neuartiger Materialien und für den Versuch, kontrollierte Kernfusion in Gang zu setzen. Die lichtintensiven Kurzzeitpulse, die mit Lasern erzeugt werden können, ermöglichen Hochgeschwindigkeitsphotographie mit Belichtungszeiten von weniger als einer billionstel Sekunde. Die in hohem Maß richtungstreuen Laserstrahlen werden auch zur Ausrichtung im Straßen- und Hochbau eingesetzt. Mit Hilfe von Lasern gelingt mittlerweile auch die Gravur und Verzierung von Glasobjekten. Man benutzt Laser auch, um Bewegungen der Erdkruste zu beobachten sowie für Aufgaben der Erdvermessung und des Vermessungswesens allgemein. Laser zählen zu den besten Instrumenten für die Bestimmung mancher Formen von Luftverschmutzung. Darüber hinaus dienen Laser der genauen Vermessung des Abstands von der Erde zum Mond und bei Versuchen zur Relativitätstheorie. Sehr schnelle lasergesteuerte Schalter für den Einsatz in Teilchenbeschleunigern werden gegenwärtig entwickelt, und man beherrscht bereits Methoden, eine kleine Anzahl von Atomen in einer Vakuumatmosphäre mit Laserstrahlen auf einer festen Position zu halten, um genauestmögliche Studien an ihren Spektren durchzuführen. Ein Problem bei der Anwendung von Lasertechnik in der Mikroelektronik sowie zur Bearbeitung von Halbleiterbauelementen konnte vor kurzem gelöst werden. Die Bündelung und Stärke eines herkömmlichen Lasers ist für diese sich zum Teil im Mikrometerbereich bewegenden extremen Feinarbeiten zu grob. Mit üblichen Methoden lassen sich Strahldurchmesser von etwa zwei zehntel Millimeter erreichen. Einer Forschergruppe der TU Berlin gelang es 1997 einen viel feineren Laserstrahl zu erzeugen. Physikalischer Hintergrund ist ein - bereits bekannter - Effekt, die so genannte stimulierte Brillouin-Streuung (abgekürzt: SBS). Bei einem herkömmlichen Laser wird die Lichtbündelung durch die Erwärmung des Lasermaterials bei Betrieb negativ beeinflusst. Zur Korrektur brachten die Berliner Forscher einen so genannten SBS-Spiegel zum Einsatz. Dieser fasst praktisch das gesamte, aus dem erwärmten Laserkristall kommende Licht zusammen und wirft es in den Kristall zurück, wo es schließlich wieder verstärkt wird. Als Spiegelmaterial nutzten die Forscher Kabel aus Glasfasern und erreichten damit Strahldurchmesser von nur wenigen Tausendsteln eines Millimeters. Weil Laserlicht ein hohes Maß an Richtungstreue (geringe Strahlaufweitung) bietet und monochromatisch ist (also äußerst farbrein), können schon geringste von bestimmten Materialien verursachte Lichtstreuungseffekte oder minimale Frequenzverschiebungen ohne großen Aufwand nachgewiesen werden. Durch Messung solcher Veränderungen konnten Wissenschaftler erfolgreich molekulare Strukturen untersuchen. Mit dem Einsatz von Lasern war es möglich, die Lichtgeschwindigkeit mit einer zuvor unerreichten Genauigkeit zu bestimmen, chemische Reaktionen können mit ihrer Hilfe gezielt in Gang gesetzt werden, und das Vorhandensein von Spurenelementen in Analyseproben lässt sich genau feststellen. Laser kommen ebenfalls zur Untersuchung chemischer Reaktionen oder zur Erforschung von Prozessen im Innern des Atomkerns zum Einsatz. Bei diesen Experimenten nutzt man Laserpulse, die eine Dauer von billiardstel Sekunden (und noch kürzer) besitzen. So konnte beispielsweise 1999 der Übergangszustand einer chemischen Reaktion mittels einer Ultrahochgeschwindigkeitskamera photographisch festgehalten werden, die mit Laserpulsen im Femtosekundenbereich (10-15 Sekunden) arbeitet. Noch kürzere Pulse konnten Experten von der TU Wien Ende 2001 produzieren. Dem Team gelang es, Pulsdauern im Attosekundenbereich (10-18 Sekunden) zu erzeugen. Laserlicht kann im Weltraum große Entfernungen durchlaufen, ohne in seiner Signalstärke nennenswert abgeschwächt zu werden. Aufgrund seiner hohen Frequenz kann Laserlicht beispielsweise das Tausendfache dessen an Fernsehprogrammen übertragen, was derzeit mit Mikrowellen möglich ist. Daher sind Laser ideale Kommunikationsmedien im Weltall. Zur irdischen Kommunikation über Telefone oder in Computersystemen wurden zur Übertragung von Laserlicht verlustarme optische Fasern entwickelt. Lasertechniken werden auch zur Informationsaufzeichnung mit hoher Speicherungsdichte benutzt. Zum Beispiel erleichtert die Lasertechnik das Aufzeichnen eines Hologramms, aus dem mit Hilfe eines Laserstrahles ein dreidimensionales Bild zurückgewonnen werden kann. Intensive gebündelte Laserstrahlen können in Sekundenbruchteilen bestimmte Körpergewebe durchtrennen und ausbrennen, ohne das umliegende gesunde Gewebe zu beschädigen. Laser finden auch Einsatz zum Wiederanbringen der Retina bei Netzhautablösung, um Löcher in Knochen zu bohren und zum Veröden von Blutgefäßen. Für Labortests an kleinen biologischen Proben sind ebenfalls lasergestützte Methoden entwickelt worden. Für operative Eingriffe im Mund- und Kieferbereich finden spezielle Lasergeräte auch in der Zahnmedizin Anwendung, z. B. zur Behandlung von Zahnfleischerkrankungen oder bei Wurzelbehandlungen. Längst gehören Laserleitsysteme für Raketen, Flugzeuge und Satelliten zum Alltag der Militärtechnologie. US-Präsident Ronald Reagan beabsichtigte 1983 für das von ihm favorisierte Weltraum-Verteidigungssystem den Einsatz von Laserstrahlen gegen feindliche Raketen. Die Fähigkeit durchstimmbarer Farbstofflaser, gezielt ein Atom oder Molekül anzuregen, könnte neue Wege zur Isotopentrennung für die Herstellung von Nuklearwaffen eröffnen. Weil das menschliche Auge Laserlicht aufnimmt wie anderes Licht auch, besteht wegen der hohen Lichtleistungskonzentration beim Laser immer die Gefahr von Augenschäden, insbesondere von Netzhautverletzungen. Daher sollte Laserlicht unter keinen Umständen in die Augen gelangen können, weder direkt noch als reflektiertes Licht. Nur besonders ausgebildetes Personal mit geeigneten Schutzbrillen darf mit Lasern hantieren. Seit einigen Jahren versuchten Forschungsteams aus aller Welt einen Laser zu entwickeln, der anstelle von Licht mit Atomen arbeitet (so genannter Atomlaser). Bei einem herkömmlichen Laser werden Lichtwellen (Photonen) zu einem kohärenten Strahl gebündelt (kohärent = zusammenhängend, gleiche Wellenlänge und Schwingungsart). In etwa analoger Weise sollten sich auch Materiewellen - so die Idee - bündeln lassen. Erste fruchtbare Ergebnisse stellten im Frühjahr 1999 deutsche und amerikanische Teams der Öffentlichkeit vor. Die Teams arbeiteten unabhängig voneinander und nutzten für ihre Experimente so genannte Bose-Einstein-Kondensate: Ein Gas aus Atomen (z. B. Rubidiumatome) wird mit einem ausgeklügelten System von Magnetfeldern eingefangen und mit Hilfe modernster Tiefsttemperaturtechnik auf eine Temperatur abgekühlt, die weniger als ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt. Es kommt zur Bildung eines Bose-Einstein-Kondensats, d. h. die Atome nehmen einen Energiezustand an, verlieren ihre Identität und verhalten sich wie eine Einheit. Das deutsche Forschungsteam "bohrte" mit Hilfe von Radiowellen ein kleines Loch in den Magnetkäfig mit dem Bose-Einstein-Kondensat. Durch diese Öffnung entwichen dann Atome und bildeten im Vakuum und unter Einfluss der Gravitation einen feinen Materiestrahl. Das amerikanische Team nutzte zur Freisetzung zwei gegeneinander gerichtete optische Laser, mit denen zwei Lichtpulse auf das Bose-Einstein-Kondensat abgegeben wurden. Die Lichtpulse waren in ihrer Frequenz um einen genau vorher festgelegten Betrag versetzt. Durch diesen "Laserbeschuss" gelang es ebenfalls einen Materiestrahl zu erzeugen, d. h. einige Atome des Kondensats gingen in einen Zustand über, in dem das magnetische Feld des Magnetkäfigs nicht mehr auf sie wirkte. Die Intensität der Lichtpulse bestimmte hierbei die Anzahl der frei werdenden Atome. Gleichzeitig erhielten die Atome einen Impuls, dessen Richtung die Forscher vorgaben, und so Geschwindigkeit und Richtung der frei werdenden Atome definierten. Die technische Entwicklung des "Atomlasers" steht zwar noch am Anfang, aber bereits jetzt eröffnen sich für diesen Lasertyp diverse Anwendungsgebiete. So wäre man beispielsweise in der Lage, nur durch Ablegen einzelner Atome, feinste Nanostrukturen auf Trägeroberflächen zu erzeugen und so neuartige Halbleiterbauelemente oder Computerbausteine zu produzieren. Mit Hilfe besonderer Glasfasern auf der Basis speziell dotierter Gläser gelang es 1999 einem Forschungsteam der Universität Jena einen leistungsfähigen Miniaturlaser zu konstruieren, der keine aufwendige Kühlung bedarf und mit geringer elektrischer Spannung (9 Volt) betrieben werden kann. Das Glas dieses "Faserlasers" besteht im Wesentlichen aus Zirkonium, Aluminium, Barium und Natrium sowie Lanthan. Ebenfalls in Jena entsteht einer der stärksten Laser der Welt. Das Gerät soll laut Planung frühestens Ende 2005 in Betrieb gehen und eine Leistung von einem Petawatt (eine Billiarde Watt) erreichen können. Die erste Spaltung von Urankernen mit Hilfe von Hochleistungslasern präsentierten zwei Forschergruppen aus Großbritannien und den USA im Februar 2000. Beide Gruppen erzeugten zunächst mit einem schwachen Lichtpuls ein so genanntes Elektronenplasma auf der Oberfläche eines Metalls (aus Tantal oder Gold). Das Plasma wird anschließend von einem Hochenergielichtpuls getroffen, die Elektronen absorbieren diese große Energiemenge und fallen ins Metall zurück. Hierbei kommt es zur Emission von Gammastrahlung hoher Energie. Die Gammastrahlen treffen schließlich auf die nahe gelegene Uranprobe und regen die dort befindlichen Kerne zum Zerfall an. Mit Hilfe einer neuen Technik zur Verstärkung von Laserpulsen ist es mittlerweile möglich, Laser auch für Kernumwandlungen einzusetzen. So gelang es 2003 erstmals, die Umwandlung des radioaktiven Isotops Iod 129 in das ebenfalls radiaktive Isotop Iod 128 mit einem Laser zu induzieren. Iod 129 fällt in Kernkraftwerken als Spaltprodukt an und hat eine Halbwertszeit von 15,7 Millionen Jahren. Bei Iod-128 beträgt die Halbwertszeit dagegen nur 25 Minuten - es geht dabei in das stabile Xenon 128 über. Allerdings sind die Mengen, die sich auf diese Weise umwandeln lassen, noch extrem gering und liegen im Bereich von billiardstel Milligramm. Um diese Methode zur Entsorgung von radioaktivem Abfall einsetzen zu können, bedarf es daher noch einer enormen Menge an Entwicklungsarbeit.



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