Faszination Laser

Vor 60 Jahren erfunden, ist die Technologie heute omnipräsent: eine Forschungsreise vom Alltag bis ins All

wurden, berichtet Radloff. Die genannten Substanzen sind dabei die aktiven Medien, auch Lasermedien genannt. In ihnen werden so viele Atome auf höhere Energieniveaus gebracht, dass diese stark angeregten Atome in der Mehrzahl sind. Fachleute sprechen von Besetzungsinversion. Dazu ist eine hohe Energiezufuhr nötig, etwa durch eine starke Lampe oder elektrischen Strom. Wenn die Elektronen in den Atomhüllen auf ein niedrigeres Energieniveau fallen, senden sie Lichtteilchen (Photonen) aus. Werden diese Photonen durch Spiegel wieder und wieder ins aktive Medium gelenkt, lösen sie dort das stimulierte Aussenden von Licht aus, das durch einen halbdurchlässigen Spiegel aus dem Lasergerät entweicht. Die massenhaft angeregten Teilchen besitzen alle dieselben Eigenschaften, etwa dieselbe Wellenlänge und ein stabiles Verhältnis der Wellenphasen zueinander (Kohärenz). Deshalb kann der Laserstrahl stark gebündelt werden und bei Bedarf mit großen Energiedichten Materialien bearbeiten, beispielsweise Metalle schneiden.

In modernen großen Lasern werden oft Diodenlaser verwendet, mit Dioden als aktive Medien also. Als Halbleiterbauteile, wie sie in der Computertechnologie verwendet werden, waren Laserdioden prädestiniert dafür, von der stetigen Miniaturisierung der Computerplatinen zu profitieren. Grundsätzlich lassen Dioden elektrischen Strom nur in eine Richtung durch. Bei elektrischen Impulsen hoher Feldstärke werden im Halbleiter Atome derart angeregt, dass sie Laserlicht aussenden. Eine Lichtdiode (LED) funktioniert ganz ähnlich wie eine Laserdiode. Laserdioden kommen auch bei medizinischen Therapien zum Einsatz. Doch die Anforderungen an sie seien höher als in der Industrie, betont Ronald Sroka vom

Laser-forschungslabor im Klinikum der Universität München: „Die Wellenlänge muss genau auf das zu behandelnde Gewebe abgestimmt sein.“Benötigt werden meist Laser mit hoher Leistung, die kontinuierlich oder gepulst Licht abstrahlen und entsprechend unterschiedliche Wirkungen erzeugen. Bei thermischen Laseranwendungen wird die erzeugte Wärme zum Schneiden von Gewebe oder zum Abtragen durch Verdampfen von Gewebe eingesetzt.

Sroka und seine Mitarbeiter forschen in ihrem Labor unter anderem an der Behandlung von Tumoren mit Licht, der fotodynamischen Therapie: Der Patient nimmt einen lichtempfindlichen Wirkstoff zu sich, der sich nur in Tumoren anreichert, bei der anschließenden Bestrahlung mit Licht entsteht eine angeregte und sehr reaktionsfreudige Form des Sauerstoffs, der die Krebszellen zerstört. Per Laser, weil Licht nicht tief ins Gewebe eindringt, können zunächst nur oberflächlich wachsende Tumoren anvisiert werden. Mit Laserlicht, das in Lichtleitfasern eingekoppelt wird, können auch tiefer liegende Tumoren bestrahlt werden.

Und wo geht der Trend hin? Sven Ederer ist Physiker bei der Berthold Leibinger Stiftung und zuständig für die Organisation des Innovationspreises und des Zukunftspreises. Sie werden verliehen für Entwicklungsund Forschungsarbeiten im Bereich des Laserlichts. Ederer kennt die neuesten Entwicklungen auf vielen Gebieten der Lasertechnologien. Er macht zwei große Trends aus: Zum einen Ultrakurzpulslaser und die Quantenoptik.

Die sehr kurzen Laserpulse ermöglichen eine kalte Bearbeitung von Materialien, also ohne sie nennenswert zu erwärmen. Im europäischen Forschungsprojekt „Extreme

Light Infrastructure“(ELI) werden mit solchen Lasern physikalische Prozesse mit hoher Zeitauflösung untersucht.

Als Beispiel für die Quantenoptik nennt Ederer das Projekt „Opticlock“, eine optische Uhr für den Einsatz außerhalb spezialisierter Labors, die 1000-fach genauer geht als heutige Atomuhren. Auch seien die elektronischen Vorgänge in heutigen Computern langsam im Verhältnis zur optischen Datenübertragung, deshalb sollten künftig die Daten auch optisch verarbeitet werden, eben mit Laserlicht. Ederer ist von einer weiterhin rasanten Entwicklung der Lasertechnologien überzeugt: „Laserlicht ist vielfältig wie ein Schweizer Taschenmesser.“Für mehr Daten, um Klimaphänomene besser zu verstehen, sorgt ein Projekt des Fraunhofer ILT: In Zusammenarbeit mit dem Leibnizinstitut für Atmosphärenphysik (IAP) in Kühlungsborn haben die Ilt-forscher ein LIDAR-SYSTEM (Light Detection and Ranging) mit einem diodengepumpten Alexandritlaser entwickelt. Damit ist es möglich, Temperaturen und Wind in der hohen Atmosphäre (30 bis 120 Kilometer Höhe) vom Boden aus zu messen. Ein Lidar-netzwerk kann künftig kontinuierlich Daten aus der Atmosphäre liefern.

Mit Licht gegen den Krebs, Strahlen für das Klima