Zehn hoch minus 15 Sekunden, eine Femtosekunde. Der millionste Teil einer Milliardstel Sekunde. Unvorstellbar kurz sind die Lichtpulse, die ein so genannter Femtosekunden-Laser produziert. Die herkömmlichen Geräte dieser Art kosten weit über 100.000 Euro, füllen ganze Räume in wissenschaftlichen Instituten und sind sehr aufwändig in Betrieb und Wartung. Andreas Tünnermann, der Direktor des Fraunhofer Instituts für angewandte Optik und Feinmechanik in Jena, erwartet, dass sich hier einiges ändern wird.
" Es wird nicht mehr notwendig sein, dass man zum Betrieb eines Lasers einen promovierten Physiker einstellt, sondern dass man eine kleine schwarze Kiste hat, die man einschaltet und die dann genau das tut, was man will. Und diese Kiste steht dann zum Beispiel in einer Arztpraxis, zum Beispiel in einer Produktionslinie in der Automobilindustrie."
Die Lasertechnik hat sich in den vergangenen Jahren so entwickelt, dass die so genannten Gaslaser mehr und mehr von Festkörperlasern abgelöst werden. Das heißt: das Laserlicht wird zunehmend in festen Materialien, insbesondere in Kristallen erzeugt. Die Kristalllaser haben einen besseren Wirkungsgrad als die Gaslaser: Sie wandeln die Energie effizienter in Laserlicht um. Außerdem lässt sich ihr Licht besser fokussieren, ihre Brennflecken sind also kleiner, was unter anderem für das Schneiden und Schweißen mit Laserlicht wichtig ist.
Aber auch die Kristalllaser stoßen an Grenzen. Ab einer bestimmten Lichtleistung heizen sich die Kristalle so sehr auf, dass sich das Licht nur noch schlecht fokussieren lässt. Tünnermann arbeitet darum an einer Alternative: an Lasern, die das Licht in Glasfasern erzeugen:
" Bei der Entwicklung eines Faserlasers startet man eigentlich bei der Idee, dass man das aktive Medium sehr lang und dünn macht. Man muss sich das so vorstellen, dass eine Faser von dem Durchmesser eines menschlichen Haares auf eine Länge von einigen zehn Metern das aktive Medium des Faserlasers darstellt. Natürlich ist klar, wenn ich eine solche Struktur habe, dass die Oberfläche sehr groß ist im Vergleich zum Volumen, und wenn ich eine große Oberfläche habe, heißt das, dass ich Wärme effizient entfernen kann."
Im Innern einer Laser-Faser sind im so genannte aktiven Medium spezielle Atome wie Neodym oder Ytterbium eingebracht, die das Laserlicht erzeugen. Um diese innerste Schicht herum befindet sich ein Glasfaser-Schlauch, der das so genannte Pumplicht leitet, mit dem das aktive Medium angeregt und mit Energie versorgt wird. Mit dieser Faser-Technologie lassen sich heute Laser bauen, die Energien von mehreren Kilowatt auf einen Quadratmikrometer fokussieren können. Sie bringen also die gesamte Energie eines Heißwasserkochers auf einen mikroskopischen Punkt.
Und auch Femtosekunden-Pulse können Tünnermann und seine Jenaer Kollegen inzwischen erzeugen. Diese Technologie wird bald in Konkurrenz treten zu den Lasern mit Titan-Saphir-Kristallen, die derzeit Stand der Technik sind, und die, wie gesagt, über 100.000 Euro kosten.
" Wir haben zum Beispiel bei an unserem Institut einen Bausatz zusammengestellt: Wie baue ich mir meinen Ultrakurzpulslaser für 3000 bis 5000 Euro. Natürlich liefert der nicht die vollständige Performance eines Titan-Saphir-Lasersystems, das heißt er ist nicht hinsichtlich der Wellenlängen abstimmbar. Aber nichtsdestotrotz liefert das System Femtosekunden-Impulse und die auch in einem Leistungsbereich, was zum Beispiel für Anwendungen in der nichtlinearen Mikroskopie, die für biologische Untersuchungen zum Beispiel wichtig ist, hervorragend geeignet sind."
Weitere Anwendungen ergeben sich in der Medizin: In der Hornhautchirurgie etwa, wo die Fehlsichtigkeit der Augenlinse per Laserstrahl korrigiert wird. Hier sind heute zumeist noch Gaslaser im Einsatz. Sie sollen aber, zumindest in einigen Anwendungsgebieten, durch Femtosekunden-Laser ersetzt werden.
Und auch für den Maschinenbau sollen die kurzen Pulse aus Faserlasern Vorteile bringen. In Zukunft sollen Einspritzdüsen den letzten Schliff mit Femtosekunden-Licht erhalten - Licht, das aus effizienten, zuverlässigen und vor allem billigen Glasfasernlasern stammt.
" Es wird nicht mehr notwendig sein, dass man zum Betrieb eines Lasers einen promovierten Physiker einstellt, sondern dass man eine kleine schwarze Kiste hat, die man einschaltet und die dann genau das tut, was man will. Und diese Kiste steht dann zum Beispiel in einer Arztpraxis, zum Beispiel in einer Produktionslinie in der Automobilindustrie."
Die Lasertechnik hat sich in den vergangenen Jahren so entwickelt, dass die so genannten Gaslaser mehr und mehr von Festkörperlasern abgelöst werden. Das heißt: das Laserlicht wird zunehmend in festen Materialien, insbesondere in Kristallen erzeugt. Die Kristalllaser haben einen besseren Wirkungsgrad als die Gaslaser: Sie wandeln die Energie effizienter in Laserlicht um. Außerdem lässt sich ihr Licht besser fokussieren, ihre Brennflecken sind also kleiner, was unter anderem für das Schneiden und Schweißen mit Laserlicht wichtig ist.
Aber auch die Kristalllaser stoßen an Grenzen. Ab einer bestimmten Lichtleistung heizen sich die Kristalle so sehr auf, dass sich das Licht nur noch schlecht fokussieren lässt. Tünnermann arbeitet darum an einer Alternative: an Lasern, die das Licht in Glasfasern erzeugen:
" Bei der Entwicklung eines Faserlasers startet man eigentlich bei der Idee, dass man das aktive Medium sehr lang und dünn macht. Man muss sich das so vorstellen, dass eine Faser von dem Durchmesser eines menschlichen Haares auf eine Länge von einigen zehn Metern das aktive Medium des Faserlasers darstellt. Natürlich ist klar, wenn ich eine solche Struktur habe, dass die Oberfläche sehr groß ist im Vergleich zum Volumen, und wenn ich eine große Oberfläche habe, heißt das, dass ich Wärme effizient entfernen kann."
Im Innern einer Laser-Faser sind im so genannte aktiven Medium spezielle Atome wie Neodym oder Ytterbium eingebracht, die das Laserlicht erzeugen. Um diese innerste Schicht herum befindet sich ein Glasfaser-Schlauch, der das so genannte Pumplicht leitet, mit dem das aktive Medium angeregt und mit Energie versorgt wird. Mit dieser Faser-Technologie lassen sich heute Laser bauen, die Energien von mehreren Kilowatt auf einen Quadratmikrometer fokussieren können. Sie bringen also die gesamte Energie eines Heißwasserkochers auf einen mikroskopischen Punkt.
Und auch Femtosekunden-Pulse können Tünnermann und seine Jenaer Kollegen inzwischen erzeugen. Diese Technologie wird bald in Konkurrenz treten zu den Lasern mit Titan-Saphir-Kristallen, die derzeit Stand der Technik sind, und die, wie gesagt, über 100.000 Euro kosten.
" Wir haben zum Beispiel bei an unserem Institut einen Bausatz zusammengestellt: Wie baue ich mir meinen Ultrakurzpulslaser für 3000 bis 5000 Euro. Natürlich liefert der nicht die vollständige Performance eines Titan-Saphir-Lasersystems, das heißt er ist nicht hinsichtlich der Wellenlängen abstimmbar. Aber nichtsdestotrotz liefert das System Femtosekunden-Impulse und die auch in einem Leistungsbereich, was zum Beispiel für Anwendungen in der nichtlinearen Mikroskopie, die für biologische Untersuchungen zum Beispiel wichtig ist, hervorragend geeignet sind."
Weitere Anwendungen ergeben sich in der Medizin: In der Hornhautchirurgie etwa, wo die Fehlsichtigkeit der Augenlinse per Laserstrahl korrigiert wird. Hier sind heute zumeist noch Gaslaser im Einsatz. Sie sollen aber, zumindest in einigen Anwendungsgebieten, durch Femtosekunden-Laser ersetzt werden.
Und auch für den Maschinenbau sollen die kurzen Pulse aus Faserlasern Vorteile bringen. In Zukunft sollen Einspritzdüsen den letzten Schliff mit Femtosekunden-Licht erhalten - Licht, das aus effizienten, zuverlässigen und vor allem billigen Glasfasernlasern stammt.