Der stärkste Laser der Welt aktiviert! Was ist Chirped Pulse Amplification?

Der stärkste Laser der Welt aktiviert! Was ist Chirped Pulse Amplification?

Ji Yang

Im April 2024 hieß es in Nachrichtenberichten, ein Hightech-Zentrum in Rumänien habe vor Kurzem den stärksten Laser der Welt in Betrieb genommen. Wir alle haben schon von Lasern gehört und wissen, dass sie eine sehr starke Lichtquelle sind. Das von ihnen ausgestrahlte Licht ist ein Laserlicht mit hoher Intensität, guter Richtwirkung und einem breiten Anwendungsbereich. Doch wo spiegelt sich der „Mächtigste der Welt“ in dieser Nachricht wider? Wie wird es erreicht? Hallo zusammen, ich bin Ji Yang und ich werde heute über diese Dinge sprechen.

Etwas, das Licht aussendet, ist eine Lichtquelle, die Energie in Licht umwandelt. Beispielsweise wandelt eine brennende Kerze chemische Energie in Licht um, die helle Sonne wandelt Atomenergie in Licht um und Leuchtdioden wandeln elektrische Energie in Licht um. Wie vergleichen wir die Intensität dieser Lichter? Dabei müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, unter anderem die Energie des Lichts, die beleuchtete Fläche und die Dauer.

Denken Sie zuerst an die Energie. Der rumänische Laser sendet gepulste Laser aus und die Energie jedes Laserimpulses beträgt etwa 10 Joule, was der Energie einer großen Cola-Flasche (etwa 1 Kilogramm) entspricht, die von einem 1 Meter hohen Tisch auf den Boden fällt. Wenn es auf den Fuß trifft, tut es ein wenig weh, ist aber erträglich.

Dann gibt es noch den Bestrahlungsbereich. Dieselbe Energie, die auf unterschiedliche Bereiche angewendet wird, hat sehr unterschiedliche Auswirkungen. Das Prinzip ist dasselbe wie beim Eindrücken einer Reißzwecke mit der Hand: Die Kraft, die auf die Kappe der Reißzwecke wirkt, ist die gleiche wie die Kraft, die auf die Spitze der Reißzwecke wirkt, aber Ihre Finger werden nicht verletzt und Sie können die Reißzwecke in das Brett drücken. Das von gewöhnlichen Lichtquellen ausgestrahlte Licht geht in alle Richtungen, Laser hingegen haben eine gute Richtwirkung. Die Energie des Lichts kann auf eine sehr kleine Fläche konzentriert werden, daher ist die Intensität (auch allgemein als Lichtstärke bezeichnet) sehr groß. Im April empfängt der handtellergroße Boden mittags etwa 10 Joule Sonnenenergie pro Sekunde, während die Strahlbreite des rumänischen Lasers nur wenige Millimeter beträgt und sich ihre Lichtintensitäten daher um das Hunderttausende- oder Millionenfache unterscheiden.

Berücksichtigen Sie auch die Dauer. Energie geteilt durch Zeit ist das, was wir normalerweise als Leistung bezeichnen. Dieselbe Energie, die in unterschiedlichen Zeiträumen freigesetzt wird, hat sehr unterschiedliche Kraft und Wirkung. Beispielsweise half Xiao Ming einer alten Dame über die Straße und ein Polizist trat einem Gangster in den Hintern. Der Gesamtenergieaufwand war zwar ähnlich, doch die alte Dame erreichte die andere Straßenseite sicher, während der Bösewicht schließlich starb. Sonnenlicht strahlt gleichmäßig und kontinuierlich, während gepulste Laser begrenzte Energie komprimieren und sie in einem sehr kurzen Zeitraum freisetzen, sodass der sofortige Burst-Effekt noch erstaunlicher ist.

Einfach ausgedrückt: Um die Stärke eines Lichtstrahls zu messen, teilen wir die Energie des Lichts durch die beleuchtete Fläche und dann durch die Dauer. Bei gleicher Energiemenge ist die Spitzenleistung des Lichts umso größer, je kleiner die bestrahlte Fläche und je kürzer die Dauer ist.

Der rumänische Laser kann den Laserpuls innerhalb von 1 Femtosekunde auf eine Spitze von 10 Petawatt bringen, das heißt, er komprimiert 10 Joule Lichtenergie in einen Lichtpuls von 1 Femtosekunde, also einem Billionstel einer Sekunde. Dies ist schwierig zu erreichen, nicht nur, weil 1 Femtosekunde eine sehr kurze Zeit ist, sondern auch, weil die Spitzenleistung so groß ist, dass kein Material ihr standhalten kann und verbrennt. Um diese bemerkenswerte Leistung zu erzielen, ist es notwendig, die Chirped-Pulse-Amplification-Technologie zu nutzen, die der französische Wissenschaftler Mourou in den 1980er Jahren erfunden hat, um die Leistung des Lasers zu erhöhen und gleichzeitig seine Intensität sicherzustellen.

Seit der Erfindung des Lasers im Jahr 1960 haben Wissenschaftler hart daran gearbeitet, die verschiedenen Indikatoren von Lasern zu verbessern. Bei gepulsten Lasern sind die Erhöhung der Energie eines einzelnen Impulses und die Verkürzung der Impulsbreite zwei wichtige Ziele. Durch ultraschnelle Lasertechnologien wie Güteschaltung, Modenkopplung und Kerr-Linsen-Modenkopplung können Wissenschaftler die Dauer von Laserpulsen vom Millisekundenbereich auf den Nanosekunden-, Pikosekunden- und sogar Femtosekundenbereich erhöhen. Um jedoch die Energie eines einzelnen Laserpulses zu erhöhen, ist es notwendig, den Laserpuls im Verstärkungsmedium (d. h. dem Laserkristall) zu verstärken, und genau hier liegt die Schwierigkeit. Eine extrem hohe Laserspitzenleistung beschädigt das Verstärkungsmedium. Eine Vergrößerung des Laserstrahldurchmessers kann zwar zu einer Reduzierung der Spitzenleistung beitragen, doch ist dieser Effekt nicht besonders deutlich und stellt zudem unrealistische Anforderungen an das Wachstum von Laserkristallen. Die Chirped-Pulse-Amplification-Technologie entstand.

Laser sind ein Quantenphänomen und müssen auch den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen. Gemäß der Unschärferelation weist die Wellenlänge des Lasers einen bestimmten Verteilungsbereich auf, wenn der Laserpuls sehr kurz ist. Durch die Verwendung von Gittern oder optischen Fasern kann Licht unterschiedlicher Wellenlängen getrennt werden, sodass es unterschiedlich lange Wege zurücklegen und sich dann wieder vereinigen kann. Auf diese Weise kann die Dauer des Impulses verlängert werden. Licht unterschiedlicher Wellenlängen oder Frequenzen kommt zu unterschiedlichen Zeiten an, genau wie die Höhen und Tiefen eines Vogelgesangs. Daher wird dieses Phänomen als „Zwitschern“ bezeichnet. Ein richtig konzipiertes System kann die Breite eines Laserpulses um das Zehn- oder sogar Hunderttausendfache verlängern, von Femtosekunden auf Pikosekunden oder sogar Nanosekunden. Bei diesem Vorgang sinkt aufgrund des Energieerhaltungssatzes auch die Spitzenenergie des Laserpulses um ein Vielfaches. Natürlich ist auch der umgekehrte Weg möglich, nämlich die Komprimierung von Nanosekunden- oder Pikosekunden-Laserpulsen auf den Femtosekundenbereich.

Das Funktionsprinzip der Chirped-Pulse-Amplification-Technologie ist wie folgt: Zunächst wird ein ultrakurzer Laserpuls mit geringer Energie (das ist das Saatlicht) erzeugt, der dann zeitlich zu einem breiten Puls gestreckt und anschließend durch einen Laserkristall verstärkt wird. Da die Impulsbreite zu diesem Zeitpunkt groß und die Spitzenleistung gering ist, wird der Laserkristall auch bei mehrfacher Verstärkung nicht beschädigt. Ein einzelner Impuls kann eine sehr hohe Energie haben. Dann wird das Chirp-System umgekehrt angewendet, um diesen Laserimpuls mit hoher Energie, aber langer Dauer in eine sehr kurze Zeit zu komprimieren, sodass ein Laserimpuls mit hoher Energie und kurzer Dauer erhalten werden kann.

Die Chirped-Laser-Amplification-Technologie ist sehr wichtig. Der rumänische Laser ist nur ein typisches Beispiel. Die dortigen Wissenschaftler haben die vorhandenen technischen Möglichkeiten voll ausgenutzt und möglicherweise einige neue Methoden erfunden, um die bislang kürzesten und intensivsten Laserpulse zu erzeugen, indem sie 10 Joule Lichtenergie auf die ultrakurze Zeit von 1 Femtosekunde komprimiert haben. In vielen Ländern wird derzeit auf diesem Gebiet geforscht und auch in unserem Land haben einige Einheiten herausragende Arbeit geleistet.

Mit der Weiterentwicklung der Laserwissenschaft und -technologie haben hochintensive ultrakurze Lichtimpulse ihren Wert in vielen Bereichen wie der Teilchenphysik, der Kernphysik und der Medizin unter Beweis gestellt. Wir hoffen, dass es in Zukunft weitere Fortschritte macht und eine breitere Anwendung findet.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Name des Autors: Ji Yang

Gutachter: Zuo Yuhua, Forscher, Institut für Halbleiter, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.