LUH_LeibnizCampus 19 2017
Ehemaligenmagazin der Leibniz Universität
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Optische Technologien | Forschungsschwerpunkt<br />
in Ort und Impuls (also Geschwindigkeit)<br />
festgelegt werden<br />
kann. Eine klare Lokalisierung<br />
geht immer mit einer<br />
unscharfen Geschwindigkeit<br />
einher und umgekehrt. Möchte<br />
man einen harten Fokus<br />
produzieren, muss eine große<br />
Geschwindigkeitsunschärfe,<br />
also ein breiter stumpfer<br />
Licht kegel vor und nach dem<br />
Fokus zugelassen werden.<br />
Je größer der Kegelwinkel,<br />
desto größer die »Numerische<br />
Apertur« (NA). Mit hoher<br />
NA kann also hart im Raum<br />
fokussiert werden. Auch die<br />
Fokussierung in der Zeit<br />
wird von Heisenberg limitiert.<br />
Hier ist es die Unschärfe<br />
zwischen Energie und Zeit.<br />
Möchte man ein Photon in<br />
einem winzigen Zeitfenster<br />
lokalisieren, muss in Kauf genommen<br />
werden, dass seine<br />
Energie (= seine Farbe) unscharf<br />
ist. Völlig analog zur<br />
Lokalisierungsgrenzen der<br />
Photonen in Zeit beziehungsweise<br />
in Ausbreitungsrichtung<br />
von Nanosekunden<br />
(1ns = 10 –9 sec.) auf Sub-<br />
Femto sekunden (1fs = 10 –<br />
15<br />
sec.) konsequent mit einer<br />
Größenordnung pro Dekade<br />
gefallen. Während man Nanosekunden<br />
auch noch mit Elektronenpulsen<br />
auflösen kann,<br />
konnten die schneller ablaufenden<br />
Effekte der Natur erst<br />
nach dem entsprechenden<br />
Fortschritt der Laserphysik<br />
analysiert werden.<br />
Und tatsächlich ist unsere<br />
Mikrowelt voller Prozesse, die<br />
auf Piko-, Femto- und Attosekunden-Zeitskalen<br />
ablaufen<br />
(1 ps = 10 –12 sec., 1as = 10 –18<br />
sec.): Moleküle rotieren in<br />
Pikosekunden, Moleküle<br />
vibrieren in Femtosekunden,<br />
Elektronen bewegen sich in<br />
Molekülen innerhalb von<br />
Röntgenstrahlung. Mit diesem<br />
Superlaser wird es möglich<br />
sein, große Moleküle, aber<br />
auch Viren und Bakterien zu<br />
durchleuchten, sie zu »röntgen«<br />
und ihre inne Struk tur<br />
zu analysieren. Der intensive<br />
Puls – von dem 27.000 pro<br />
Sekunde erzeugt werden können<br />
– zerstört das Molekül,<br />
aber da er so kurz ist, entsteht<br />
das Foto in kurzer Zeit vor der<br />
Zerstörung, dass jegliche Bewegung<br />
der beteiligten Atome<br />
eingefroren ist. Man erwartet<br />
wesentliche neue Einsichten<br />
in die Struktur von Großmolekülen<br />
mit Relevanz für Chemie,<br />
Mate rialwissenschaft,<br />
Biochemie, Biologie, Pharmazie<br />
und Medizin und lässt sich<br />
dieses 1,2 Milliarden Euro in<br />
einer gemeinsamen europäischen<br />
Anstrengung kosten.<br />
Der größte gepulste Laser<br />
steht in Kalifornien in den<br />
2<br />
Abbildung 2<br />
Blick in den 3,4 km langen<br />
Beschleunigertunnel des Europäischen<br />
Freie-Elektronen-Laser<br />
für Röntgenlicht (XFEL) in<br />
Hamburg.<br />
Quelle: Institut für Quantenoptik<br />
Raumdimension müssen also<br />
viele Farben angeboten werden,<br />
um einen harten Zeitfokus<br />
zu realisieren.<br />
Jetzt verlassen wir das Teilchenbild<br />
und denken im Wellenbild:<br />
Perfekt scharfe Lichtverteilungen<br />
im Fokus und<br />
perfekt kurze Lichtverteilungen<br />
in der Zeit sind nur bei<br />
perfekt interferierenden Teilwellen<br />
möglich; diese in Raum<br />
und Zeit perfekten Wellen<br />
produziert allein der Laser.<br />
Nur damit können die hohen<br />
Intensitäten erzeugt werden.<br />
Das hat man sofort nach der<br />
Erfindung des Lasers im Jahre<br />
<strong>19</strong>60 erkannt, und seitdem ist<br />
die Pulsdauer, das sind die<br />
Attosekunden von einem Ort<br />
zum anderen, von einem<br />
Zustand zum nächsten. Die<br />
Lasermessung dieser ultraschnellen<br />
Vorgänge ist der<br />
Schlüssel zum Verstehen der<br />
vielfältigen Dynamik der Mikrowelt.<br />
In Hamburg wurde just am<br />
1. September der XFEL feierlich<br />
eingeweiht, der »Europäische<br />
Extreme Freie-Elektronenlaser«,<br />
eine 3,4 km lange<br />
Röhre (siehe Abbildung X), die<br />
in Hamburg beginnt und in<br />
Schleswig-Holstein in einer<br />
fußballfeldgroßen Experimentierhalle<br />
tief unter der Erde endet.<br />
Er erzeugt erstmalig Femtosekundenimpulse<br />
aus harter<br />
3<br />
USA, die »National Ignition<br />
Facility« – in der Größe einer<br />
großen Fabrikhalle. Seine<br />
Pulse sind im Gegensatz zum<br />
XFEL wesentlich länger und<br />
auch nicht im Röntgenbereich<br />
angesiedelt. Dafür haben sie<br />
viel mehr Energie (einige<br />
Megajoule pro Puls). <strong>19</strong>2 einzelne<br />
Großlaser strahlen dabei<br />
aus allen Raumrichtungen<br />
zeitgleich auf eine kleine Probe.<br />
Der dabei entstehende extreme<br />
Druck durch die vielen<br />
Photonen überwindet die Abstoßung<br />
zwischen den positiv<br />
geladenen Atom kernen und<br />
führt zu ihrer Verschmelzung.<br />
Dieser Laser dient der Erforschung<br />
der kontrollierten<br />
Kernfusion, kann im Durch-<br />
Abbildung 3<br />
Gepulste Laserstrahlung verschiedener<br />
Wellenlänge in einem<br />
typischen Experimentieraufbau.<br />
Quelle: Institut für Quantenoptik<br />
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