Femtosekundenlaser: Wenn ultrakurz auf ultraleistungsstark trifft

Bildbeschreibung: Darstellung eines ultrastarken Laserstrahls, der von einem Femtosekundenlaser erzeugt wird. Bildquelle:astronoo.com

Eine Lichtexplosion im Herzen der Materie

DERFemtosekundenlaserist eine optische Technologie, die es ermöglicht, Lichtimpulse von a zu erzeugenextrem kurze Dauer, in der Größenordnung von Femtosekunden (1 fs = 10^-15Sekunden). Obwohl diese Impulse von sehr kurzer Dauer sind, können sie eine enorme Energiemenge enthalten, um hochpräzise Experimente in Bereichen wie Materialphysik, Medizin und industrieller Fertigung durchzuführen.

Wie funktioniert ein Femtosekundenlaser?

Das Funktionsprinzip des Femtosekundenlasers basiert auf der Erzeugung vonultrakurze Impulsevon akontinuierlicher Laserstrahl. Dank Techniken wieChirped Pulse Amplification (CPA)ist es möglich, einen Laserpuls vorübergehend zu strecken (um ihn nicht zu zerstören), bevor er wieder komprimiert wird, wodurch seine Leistung drastisch gesteigert werden kann. Die Grundidee besteht darin, dass trotz der kurzen Dauer jedes Impulses die in diesem Zeitfenster abgegebene Gesamtenergie extrem hoch ist.

Die Kraft des Femtosekundenlasers

Femtosekundenlaser können Lichtintensitäten erzeugen, die beeindruckende Werte erreichen. Beispielsweise kann ein Impuls von wenigen Femtosekunden Energie von 1 bis 10 Joule pro Impuls freisetzen, jedoch konzentriert in einem Bruchteil einer Sekunde. Mit anderen Worten: Ein Femtosekundenlaser, der im Bruchteil einer Sekunde 1 Joule pro Impuls abgibt, kann eine lokale Wirkung haben, die so intensiv ist wie die einer kleinen Explosion, jedoch in viel kleinerem Maßstab und über einen viel kürzeren Zeitraum.

Auch die Spitzenleistung (oder momentane Maximalleistung) von Femtosekundenlasern ist sehr hoch. Die Spitzenleistung kann beeindruckende Werte in der Größenordnung von mehreren Terawatt (TW) erreichen (1 TW = 10).¹²Watt) für Impulse von nur wenigen Femtosekunden. Beispielsweise hat ein Laser, der über 100 Femtosekunden einen Impuls von 1 Joule liefert, eine Spitzenleistung von 10 TW.

Definition von Macht

Leistung ist definiert als die Energieübertragungsrate pro Zeiteinheit:$$P = \frac{E}{t}$$

Somit kann eine große Leistung erzielt werden, indem E (die Gesamtenergie) erhöht oder t (die Zeit, in der diese Energie freigesetzt wird) verringert wird. Für sehr kurze Zeiträume kann selbst eine moderate Energie einer sehr hohen Leistung entsprechen.

Beispiel für einen Femtosekundenlaser, der eine Energie von \( 1 \, \text{mJ} \) (\( 1 \times 10^{-3} \, \text{J} \)) in einem Puls von \( 1 \times 10^{-15} \, \text{s} \) liefert. Die Momentanleistung ergibt sich aus:

$$P = \frac{E}{t} = \frac{1 \times 10^{-3}}{1 \times 10^{-15}} = 10^{12} \, \text{W} \, (1 \, \text{TW})$$

Dies entspricht demGesamtleistung eines Kernkraftwerks, aber innerhalb einer extrem kurzen Zeit veröffentlicht.

Anwendungen des Femtosekundenlasers

Wenn ein Femtosekundenpuls auf ein Material trifft, kann er extreme Effekte hervorrufen, wie etwa die Veränderung der Struktur von Materialien auf atomarer Ebene, die Erzeugung von Hochtemperaturplasmen oder die Untersuchung ultraschneller chemischer Reaktionen. Diese Phänomene werden in so unterschiedlichen Bereichen wie der hochauflösenden Mikroskopie, der Augenchirurgie und der Präzisionsbearbeitung ausgenutzt.

• Mikroskopie:Femtosekundenlaser werden in der biologischen Bildgebung eingesetzt und ermöglichen die Visualisierung intrazellulärer Strukturen mit beispielloser Präzision.
• Operation :Sie werden für hochpräzise chirurgische Eingriffe wie Sehkorrekturen eingesetzt, bei denen höchste Präzision und geringe Gewebeschädigung entscheidend sind.
• Herstellung:Ultrakurze Pulse ermöglichen die Bearbeitung extrem harter oder dünner Materialien und ermöglichen so die Erzeugung nanoskaliger Strukturen.