Nobelpreis für Physik 2018 – Wegweisende Entwicklungen in der Lasertechnik

Dieser Blogbeitrag ist Teil einer Reihe von Artikeln über die Forschungen, die in diesem Jahr mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Die offizielle Nobelpreiszeremonie wird am 10. Dezember in Stockholm stattfinden.

 

Der diesjährige Nobelpreis für Physik geht zur einen Hälfte an Arthur Ashkin für seine Entwicklung von optischen Pinzetten, die zu neuen Erkenntnissen in der Biophysik und der Zellbiologie geführt haben, sowie zur anderen Hälfte an Donna Strickland und Gérard Mourou für die Erforschung von hochenergetischen Laserpulsen, die veränderte Fertigungsmethoden und neue medizinische Verfahren möglich machten.

Der Nobelpreis für Physik 2018 ist der aktuellste in einer Reihe von Auszeichnungen für wissenschaftliche Laserforschung, die den zukunftsweisenden Stellenwert dieser Technik unterstreichen. Seit Entwicklung des ersten Lasers 1960 konnten damit wissenschaftliche Instrumente, medizinische Methoden und Herstellungsverfahren revolutioniert werden. Im Folgenden wird beschrieben, wie die wissenschaftlichen Entdeckungen, die in diesem Jahr mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden, entstanden sind und wie sie heutzutage eingesetzt werden.

Arthur Ashkin, Donna Strickland and Gérard Mourou, 2018 Nobel Laureates in Physics, © Peter Badge/typos 1 in coop. with Lindau Nobel Laureate Meetings

Eingefangene Teilchen

Laser erzeugen einen hochintensiven, enggebündelten, monochromen Lichtstrahl, dessen Wellen in Richtung, Frequenz und Phase ausgerichtet sind. In diesen Wellen bewegen sich kleine Lichtteilchen, sogenannte Photonen, die optische Kräfte erzeugen, wenn sie auf ein Objekt treffen und gestreut werden.

Arthur Ashkin, einer der diesjährigen Nobelpreisträger, nutzte diese Kräfte 1970, um ein Mikroteilchen in einen Laserstrahl zu bewegen und dort einzufangen. Später wandte er seine Technik, die sogenannte ‚optische Pinzette‘, auch auf Viren und Körperzellen an. So wurde sein Verfahren zu einer Schlüsselmethode für die Untersuchung der Kinetik und Mechanik zellulärer Motoren und Komponenten.

So funktioniert eine optische Pinzette:

Als es Ashkin erstmalig gelang, ein Teilchen in Mikrometer-Größe in einem Laserstrahl einzufangen, bemerkte er, dass das Teilchen in das Zentrum des Strahls gezogen wurde, dorthin also, wo die Intensität am stärksten ausgeprägt war. Er entdeckte, dass das Teilchen durch zwei Arten von optischen Kräften im Strahl eingefangen wurde. Die Vorwärtsbewegung der Photonen schob das Teilchen in Richtung des Laserlichts. Dieser Strahlungsdruck reichte aus, Mikropartikel in einem vertikalen Laserstrahl schweben zu lassen.

Eine zweite Kraft, nämlich diejenige, die das Teilchen in das Zentrum des Strahls trieb, fing es auch im Strahl ein. Diese Gradientenkraft entsteht dadurch, dass die Laserintensität an den Rändern des Strahls schwächer und im Zentrum am stärksten ist. Wenn der Strahl mithilfe einer Linse gebündelt wird, entsteht ein sehr steiler Intensitätsgradient, sodass die  Gradientenkraft stärker als die Kraft wird, welche die Teilchen vorwärts in den Strahl schiebt. Als Ashkin und seine Kollegen ihre optische Pinzette durch eine Linse ergänzten, konnten sie Teilchen mit einem Durchmesser von 10 µm bis 25 nm in Wasser einfangen.

Beim Einfangen verschiedener Arten von Teilchen entdeckte Ashkin, dass er auch einen Virus oder eine Bakterienzelle im Strahl halten konnte. Als er das System im Experiment modifizierte und statt eines Grünlasers einen Infrarotlaser verwendete, konnte er damit lebende Zellen einfangen. Aufgrund von Ashkins Arbeiten mit biologischen Systemen haben sich optische Pinzetten heute als gängige Instrumente in der Biophysik und der Zellbiologie durchgesetzt. Zu den bahnbrechenden biophysikalischen Experimenten mit der optischen Pinzette zählt die Anheftung eines Proteins mit der Bezeichnung ‚Kinesin‘ an ein optisch eingefangenes Kügelchen. Kinesin transportiert molekulare Fracht durch die gesamte Zelle, indem es sich in der Zelle entlang von Filamenten, den sogenannten Mikrotubuli, bewegt. Mithilfe der optischen Pinzette gelang es Forschern erstmalig, die Länge der einzelnen Kinesin-Schritte zu messen.

 

Intensitätsschub

Die andere Hälfte des Nobelpreises für Physik 2018 teilen sich Donna Strickland und Gérard Mourou für ihr Verfahren, mit dem sie die Intensität ultrakurzer Laserpulse verstärkten, ohne die Laserkomponenten dabei aufzuschmelzen. Der von ihnen entwickelte Ansatz hat neue industrielle und medizinische Anwendungen der Lasertechnik ermöglicht, beispielsweise in der Präzisionsfertigung oder der Augenchirurgie.

In den ersten 25 Jahren der Laserentwicklung versuchten die Forscher herauszufinden, wie man ultrakurze Laserlichtpulse erzeugen kann. Die Intensität dieser Pulse war allerdings begrenzt. Es gelang ihnen nur, Pulsenergien von wenigen Nanojoule auf den Millijoule-Bereich zu verstärken, weil Pulse einer stärkeren Intensität das verstärkende Material und die Laserkomponenten zerstörten.

Einer der Ansätze der Wissenschaftler, die Pulsintensität zu erhöhen, war die Vergrößerung des Strahlendurchmessers, um die Intensität des Strahls zu streuen. Dafür benötigte man jedoch große und teure Geräte, die sich nur nationale Forschungsinstitute leisten konnten. Außerdem lieferten diese Laser nur wenige Pulse pro Tag, weil sie zwischen den Schüssen abkühlen mussten.

1985 beschrieben Strickland und Mourou eine Methode, mit der sich dieses Problem lösen ließ. Angeregt durch Entwicklungen in der Radartechnologie beschlossen sie, die Spitzenausgangsleistung eines Laserpulses zu reduzieren, indem sie seine Wellenlänge zunächst um mehrere Größenordnungen streckten. Danach konnten sie die Welle ohne Schäden für das Material verstärken. Schließlich komprimierten sie die Welle, um ihre ursprünglichen Eigenschaften wiederherzustellen. Zwei Jahre nach der Vorstellung der ‚Chirped Pulse Amplification-Methode‘ (dt.: ‚Verstärkung gechirpter Pulse‘) veränderten sie die Systemkomponenten und verstärkten die Pulsenergie vom Nanojoule- auf den Joule-Bereich, was einem Anstieg um neun Größenordnungen entspricht.

In der Folge nutzen Forscher die ‚Chirped Pulse Amplification‘, um immer kürzere und intensivere Laserpulse zu erzeugen. Diese Pulse wurden zu Hochleistungslasern kombiniert – und zwar in erschwinglichen Instrumenten. Heute können Wissenschaftler Tabletop-Laser mit Terawatt-Leistung erwerben. Das entspricht der Spitzenleistung der riesigen Lasergeräte, die einst nur an Forschungsinstituten zu finden waren. Die Institute betreiben heute Petawatt-Laser: Weltweit sind inzwischen mindestens 50 Petawatt-Laser in Betrieb, im Bau oder in Planung. Derzeit entsteht in der tschechischen Hauptstadt Prag unter Federführung von Mourou die ‚Extreme Light Infrastructure Beamlines-Anlage‘, ein Laserforschungsprojekt, das ein 10 PW-Lasersystem beherbergen wird.

Diese ultraschnellen, hochintensiven Laserpulse haben neue Forschungsfelder in der Physik eröffnet, beispielsweise zur Untersuchung von Materie in der kondensierten Phase oder der Dynamik von Elektronenbewegungen innerhalb von Atomen.

Intensive Laserpulse sind auch ein Wegbereiter für praktische Anwendungen in der Präzisionsfertigung und in medizinischen Verfahren. Weniger intensive Pulse können zur Wärmebehandlung von Materialien eingesetzt werden, während sich mit intensiveren Pulsen Material schneiden, zerlegen oder durchdringen lässt. Kurze, starke Laserpulse spielen inzwischen eine entscheidende Rolle in Augenoperationen nach der ‚LASIK-Methode‘. Dabei geben Ärzte der äußere Hornhautoberfläche des Auges eine neue Form, um Fehlsichtigkeit zu beheben, die sich normalerweise nur mit Sehhilfen wie Brillen oder Kontaktlinsen korrigieren lassen.

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