Das Auge des Lasers

Der Kurzpulslaser POLARIS gehört zu den leistungsstärksten seiner Art. Seine Stärke bezieht er aus einem Parcours aus Dioden, Linsen, Spiegeln und einem sehr homogenen Kristall. Ein Blick dorthin, wo Laserlicht verstärkt wird, bis es Rekorde bricht, und wo nicht alles, was nach Glas aussieht, auch wirklich ein Glas ist.

Text: Ute Schönfelder

Eines der leistungsstärksten vollständig Dioden-gepumpten Lasersysteme der Welt steht in Jena. Der POLARIS-Laser von Universität und Helmholtz-Institut erreicht Spitzenleistungen von mehr als 170 Terawatt.

Herzstück des sich über drei Stockwerke erstreckenden Lasersystems ist die letzte Verstärkerstufe: ein zweieinhalb mal zweieinhalb mal zweieinhalb Meter messendes Stahlgerüst, das ein wenig an eine überdimensionierte Waschmaschinentrommel erinnert. Dieses ist bestückt mit 120 Laserdiodenstacks und einem Vielfachen an Zylinderlinsen. Ist der Laser in Betrieb, geben die Dioden synchrone Lichtblitze ab, die über die Linsen auf eine Fläche von etwa fünf Zentimetern Durchmesser fokussiert werden, die sich in der Mitte des Stahlgerüsts befindet (im Bild der orange leuchtende Bereich). Hier sitzt der eigentliche Laserverstärker: ein sehr homogener Kalziumfluorid-Kristall, rund sechs­einhalb Zentimeter im Durchmesser und etwa dreieinhalb Zentimeter dick. 

Auf den ersten Blick sieht der Kristall aus wie gewöhnliches Glas. Doch anders als in einem Glas, in dem es unterschiedlich stark geordnete und ungeordnete Bereiche gibt, liegt der Kristall als regelmäßiges Gitter vor. Wie Glas, das hauptsächlich aus SiO₂ besteht, bildet auch Kalziumfluorid (CaF₂) eine Tetra­ederstruktur. Doch anders als in Glas setzt sich diese Struktur regelmäßig durch den gesamten Kristall fort.

Der Kalziumfluorid-Kristall ist zusätzlich mit Ytterbiumionen dotiert. Treffen die gebündelten Blitze der Laserdioden den Kristall, werden die Elektronen der Ytterbiumionen angeregt und der Kristall dadurch mit Energie »aufgepumpt«. Wird anschließend der eigentliche Laserstrahl auf seinem mehrere hundert Meter langen, durch mehrere hundert Spiegel geleiteten Weg durch den aufgeladenen Kristall geführt, geben die Elektronen diese Energie wieder ab und verstärken damit den Laserpuls. Für jedes eingestrahlte Laser-Photon wird ein weiteres Photon aus dem Kristall abgestrahlt; dieser Vorgang wird als »stimulierte Emission« bezeichnet.

Insgesamt durchläuft der Laser diesen Kristall siebzehnmal, bevor er mit Höchstleistung in der Targetkammer im Keller des Gebäudes eintrifft.