Hochleistungslaser Geisterspiegel machen Petawatt- und Exawatt-Laser kompakter

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Um Laserlicht zu lenken, braucht es nicht unbedingt temperaturempfindliche, feste Spiegel. Forscher haben nämlich ein grundlegend neues Spiegelkonzept für diesen Zweck experimentell verifiziert.

Wie die Forscher von der HHU Düsseldorf in einem unter britischer Leitung stehenden Projekt bewiesen haben, gelingt die Lichtreflektion von Laserstrahlen auch an regelmäßigen Plasmastrukturen. Diese Methode könne insbesondere für kompakte Hochleistungslaser wichtig werden. Berichtet wurde dazu in der Fachzeitschrift Communications Physics.

Dieser Durchbruch komme gerade recht, denn in immer mehr Forschungs- und Anwendungsbereichen würden Laser mit extrem hohen Leistungen benötigt. Ein prominentes Beispiel hierfür sind die Erfolge bei der lasergetriebenen Trägheitsfusion, die das US-amerikanische Lawrence Livermore National Laboratory im Dezember 2022 erreicht hat.

Für herkömmliche Spiegelsysteme wird es brenzlig

Und die nächste Generation von gepulsten Ultrahochleistungslastern wird für Leistungsbereiche von Hunderten von Petawatt (10¹⁵ Watt) bis Exawatt (10¹⁸ Watt) ausgelegt. Gleichzeitig sollen die Aufbauten aber nicht mehr ganze Sporthallen ausfüllen sondern in Universitätslabore passen.

Doch die Entwicklung solch kompakter und leistungsstarker Anlagen stelle große Anforderungen an die optischen Elemente, die die Laserstrahlen führen und formen. Typischerweise werden hierfür Gitter und Spiegel genutzt. Bei den sehr hohen Leistungsdichten und kleinen Abmessungen kann diese Art von Laserführungs- und -formungssystemen aber thermisch geschädigt oder sogar zerstört werden, wie die Düsseldorfer sagen.

Ein ganz neues Konzept für die Führung und Formung von Laserstrahlen haben die Forscher „Geisterspiegel“ genannt. Es komme nämlich ohne klassisch spiegelnde Festkörperoberflächen aus. Das klappt mit Plasmen – also Gasen, in denen die Atome vollständig ionisiert sind. In diese können kurzzeitig regelmäßige Strukturen induziert werden, so die Experten. Diese Strukturen sind nun ebenfalls fähig, das Laserlicht zu reflektieren oder anderweitig zu manipulieren. Das Konzept wurde 2016 zunächst theoretisch von Prof. Dr. Karl-Heinz Spatschek und PD Dr. Götz Lehmann am Institut für Theoretische Physik I der HHU erarbeitet und in Physical Review Letters veröffentlicht.

Großer Schritt in Richtung nächste Hochleistungslaser

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Dino Jaroszynski von der schottischen Universität in Strathclyde hat nun unter Beteiligung von Götz Lehmann das Konzept experimentell bestätigt. Sie haben den „Geisterspiegel“ entwickelt und getestet. Lehmann wirkte bei der Konzeption und der Dateninterpretation im Rahmen des Düsseldorfer Modells mit.

Das Team realisierte mithilfe gegenläufiger Laserstrahlen einen geschichteten Plasmaspiegel, wie es weiter heißt. Die Laserstrahlen erzeugen dazu im Plasma eine schwebende Welle, die die Elektronen und Ionen im Plasma in die regelmäßige Gitterstruktur treibt. So eine Struktur kann als sehr robuster Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen angesehen werden.

Diese Spiegel seien aber sehr flüchtig und existieren nur für einige bis wenig hundert Pikosekunden (10^-12 Sekunden). Doch das reiche aus, um die ungleich kürzeren Hochleistungs-Laserpulse – die eine Länge im Femtosekundenbereich (10^-15 Sekunden) haben – zu reflektieren. Nicht zuletzt halten die Plasmen die hohen Temperaturen der nächsten Generation von Hochleistungslasern stand. Optiken, die sonst um einen Meter groß gebaut werden müssten, um das auszuhalten, können nun im Zentimeter- oder gar Millimeterbereich gehalten werden.

Diese Arbeit bringe den Stand der Technik im Bereich der Hochleistungslaser erheblich voran. Denn die so erzeugbaren robusteren und kompakteren optischen Komponenten könnten einen Paradigmenwechsel bei Hochleistungslasern bewirken.

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