Licht heller als die Sonne

06.12.2018

Licht heller als die Sonne

TU-Professor Markus Roth über den Physik-Nobelpreis 2018

Der Nobelpreis für Physik wird in diesem Jahr für bahnbrechende Erfindungen auf dem Gebiet der Laserphysik verliehen. Professor Markus Roth hat mit Gérard Mourou, einem der drei Preisträger, eng zusammengearbeitet und forscht an der TU Darmstadt ebenfalls an Hochenergielasern und deren möglicher Anwendung. Er schreibt über den Nobelpreis für seine Disziplin und die Beziehungen zwischen Mourou und der TU.

Porträt von Prof. Markus Roth
Professor Dr. Markus Roth. Bild: privat

Laser sind eines der wichtigsten Werkzeuge in Wissenschaft und Technik und auch aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Dabei gelang es seit der Erfindung 1960 rasch, die Leistung der Laser so stark zu steigern, dass Materie im Brennpunkt des Laserstrahls aufgelöst, ionisiert und in ein Plasma verwandelt wird. So wird heute fast jedes Auto geschweißt. Nach der Entdeckung eines Verfahrens, mit dem Lichtpulse auf extrem kurze Zeitskalen komprimiert werden können, gab es fast kein Hindernis mehr auf dem Weg zu Intensitäten, wie sie nicht einmal im Inneren unserer Sonne erreicht werden. Fast – denn ein Problem bestand darin, dass der Laser als Lichtverstärker ja das Licht erst einmal erzeugen muss. Dabei wurde das Licht im Verstärker so intensiv, dass es das Material des Lasers selbst zerstörte, noch bevor es das Medium oder nachfolgende Optiken verließ.

Dieses Problem wurde von den diesjährigen Nobelpreisträgern Donna Strickland und Gérard Mourou Mitte der 80er Jahre gelöst: Zu ultrakurzen Lichtpulsen gehören viele verschiedene Lichtwellenlängen, so wie in einem Paukenschlag viele Töne gleichzeitig schwingen. Strickland und Mourou trennten diese Frequenzen, indem sie Licht in seine Farben zerlegten. Dann wurden die Farben hintereinander in den Laser geschickt. Der anfänglich kurze Lichtpuls war nun millionenfach länger und damit nicht mehr sonderlich intensiv. Er konnte ohne Gefahr verstärkt werden. Am Ende wurden die Farben des Lasers wieder zu einem ultrakurzen hochintensiven Puls vereinigt. Dieses CPA-Verfahren (Chirped Pulse Amplification) war in Grundzügen bereits aus der Radartechnik bekannt, aber in der Optik völlig neu. Mit der Entwicklung von Strickland und Mourou wurden neue Laser gebaut, die in wenigen Jahren mehr als tausend Mal heller leuchteten als die Systeme bislang.

Ende der 90er Jahre wurde dann der erste Petawatt-Laser (1015 Watt, eine Million Milliarde Watt) am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien in Betrieb genommen, an dem ich wenig später als junger Postdoc an der Entdeckung lasererzeugter Ionenstrahlen beteiligt war. Meine weiteren Arbeiten auf diesem Gebiet und ein Empfehlungsschreiben von Gérard Mourou gehörten zu den Gründen für meine Berufung an die TU Darmstadt, die das Potenzial dieser neuen Lasertechnik früh erkannt hat. Seitdem arbeiten Wissenschaftlerinnen, Wissenschaftler und Studierende der TU Darmstadt an fast allen Höchstleistungslasern weltweit und haben die TU als wichtige Partnerin international etabliert.

Vision einer europäischen Infrastruktur für Höchstleistungslaser

Gerard Mourou und Markus Roth (Mitte) bei der Nuclear Photonics-Konferenz im Juni 2018 in Brassov, Rumänien. Bild: Nuclear Photonics
Gérard Mourou und Markus Roth (Mitte) bei der Nuclear Photonics-Konferenz im Juni 2018 in Brasov, Rumänien. Bild: Nuclear Photonics

In den vergangenen Jahren verfolgte Gérard Mourou eine Vision zum Aufbau einer europäischen Infrastruktur für Höchstleistungslaser. Er initiierte die europäische „Extreme Light Infrastructure“ (ELI). Heute ist ELI ein Verbund aus drei großen Forschungseinrichtungen in Prag, Bukarest und Szeged, die jeweils Laseranlagen der neuen Generation beherbergen werden. Diese Forschungsinfrastruktur wird von der US-amerikanischen Academy of Sciences als wichtiger Grund angesehen, dass mittlerweile Europa die Führung auf dem Gebiet der Hochleistungslaser übernommen habe. Die Laseranlagen von ELI gehen derzeit in Betrieb und eröffnen neue Forschungsmöglichkeiten auf vielen Wissenschaftsfeldern.

Die TU Darmstadt hat den Bau und die Entwicklung von ELI von Anfang an unterstützt und begleitet. Professor Norbert Pietralla vom Institut für Kernphysik der TU Darmstadt unterstützt maßgeblich die Aktivitäten an ELI-Nuclear Physics, ich diejenigen an ELI-Beamlines. Mit beiden Einrichtungen verbinden die TU Darmstadt nicht nur eine enge Kollaboration und Verträge zur Zusammenarbeit, sondern TU Forscher koordinieren auch die deutschen Forschungsinteressen an ELI-Beamlines.

Dieses Jahr wurde dies besonders deutlich durch die erfolgreiche Einwerbung des LOEWE-Schwerpunkts „Nukleare Photonik“, bei dem die Höchstleistungslaser von ELI mit Techniken aus der Kernphysik gekoppelt werden, um neue Werkzeuge für Forschung und Technik zu entwickeln. Hierzu wurde eine Verzahnung von ELI und der TU Darmstadt bis hin zur gemeinsamen Etablierung von Forschergruppen zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses beschlossen. Bei einem Besuch an der TU Darmstadt im Juni 2018 und seinem Vortrag im physikalischen Kolloquium hat Gérard Mourou noch einmal betont, wie wichtig die TU Darmstadt dafür als zentraler Partner in Europa ist.

Markus Roth ist Professor für Laser- und Plasma-Physik am Institut für Kernphysik der TU Darmstadt

zur Liste