Was ist ein Ultrakurzpulslaser?
Der Ultrakurzpulslaser ist eine allgemeine Bezeichnung für jeden Lasertyp, der in extrem kurzen Zeiträumen Impulse oder kohärente Lichtblitze erzeugt, die normalerweise in Pikosekunden oder Femtosekunden gemessen werden. Eine Pikosekunde ist eine Billionstelsekunde und eine Femtosekunde ist 1000-mal kürzer als eine Pikosekunde oder eine Billionstelsekunde. Diese Schaltraten für den Ultrakurzpulslaser ermöglichen es ihm, einige Verschlechterungseffekte zu überwinden, denen normale Nichtpulslaser ausgesetzt sind. Dies gibt ihnen Anwendungen in der Militärtechnologie, der Datenkommunikation und in der Medizin, beispielsweise für die Abtötung von Viren im Körper durch externe Laserbehandlung, ohne das normale lebende Gewebe zu schädigen.
Der Zeitbereich, den die Pulsdauer in der aktuellen Ultrakurzpulslasertechnologie ab 2011 umfasst, reicht von wenigen Pikosekunden pro Laserpuls bis hinunter zu 5 Femtosekunden. Die Technologie wird dahingehend vorangetrieben, einen Ultrakurzpulslaser im Attosekundenbereich zu schaffen, dessen Impulse 1000-mal schneller als bei einem Femtosekundenlaser oder einmal in einer Trillionstelsekunde auftraten. Attosekundenlaser würden es Forschern ermöglichen, die Bewegung von Elektronen um Atomkerne in Echtzeit zu verfolgen, was sowohl die Forschung und Entwicklung in der Physik als auch in der Chemie unterstützen würde.
Während frühe Laser darauf basierten, mit Rubinkristallen kohärente Lichtstrahlen zu erzeugen, verwenden Femtosekundenlaser titandotiertes Aluminiumoxid, einen Typ von blaugrünem Saphir, der 1986 erstmals für diesen Zweck hergestellt wurde. Die typische Pulsenergie eines solchen 20-Femtosekunden-Lasers beträgt etwa 3 Nanojoule pro Puls oder drei Milliardstel Joule. Da dies eine äußerst geringe Energiemenge ist, wird der Strahl unter Verwendung einer externen Strahlungsquelle verstärkt. Festkörpermaterialien haben sich als die besten Verstärker erwiesen, wobei Ytterbiumglas am effektivsten ist und den Puls auf 100 Joule pro Quadratzentimeter verstärkt. Frühe Versuche mit Farbstoffen oder Neodym: Yttrium-Aluminium-Granat-Kristallen erhöhten die Pulsenergie von 1 Millijoule auf 0,5 Joule pro Quadratzentimeter.
Es gibt viele mögliche Anwendungen für den Einsatz des Ultrakurzpulslasers. Sie würden die Glasfaserkommunikation durch Lichtsignalübertragung auf ein neues Niveau heben und ermöglichen, dass wesentlich mehr Daten auf einem Impulsstrahl übertragen werden, als dies derzeit mit Glasfaserkommunikation ab 2011 möglich ist, was dem Begriff Breitband eine völlig neue Bedeutung verleiht. Sie könnten auch verwendet werden, um Materialien von einer Oberfläche zu entfernen und von einem Feststoff in ein Gas umzuwandeln, ohne dabei Wärme zuzuführen, was verschiedene industrielle Schneid- und Formgebungsverfahren für Metalle und Verbundwerkstoffe verbessern würde. Die Technologie bietet auch den Vorteil, dass sie in der Medizin als äußerst präzise Form des Skalpells zur Entfernung von Krebstumoren oder zur Reparatur der optischen Hornhaut bei Menschen mit Sehschwäche eingesetzt werden kann.