„Im Labor wird warme Materie durch Laser mit extremen Maximalleistungen oder Energiedichten kurzzeitig erzeugt.“ so endete mein letzer Beitrag zu warmer, dichter Materie. Wir werden also Hochleitungs-Laser und Hochenergie-Laser benutzen. Aber was genau ist der Unterschied und warum geben wir uns nicht mit eines oder einem Kompromiss aus beidem zufrieden.
Abrupte Klimaschwankungen seit 2000 Jahren
Innerhalb der letzten zwei Jahrtausende sind verschiedene abrupte Klimaschwankungen nachweisbar. Der fortwährende Wandel des Klimas verzeichnete allein fünf große Klimaepochen und zahlreiche kleinere, die anhand von Klimadiagrammen nachvollzogen werden können:
– Klimaoptimum während der Römerzeit (200 v.Chr. – 400 n.Chr.),
– Klimaverschlechterung zur Zeit der germanischen Völkerwanderungen (400 – 800),
– Mittelalterliches Klimaoptimum (800 – 1300),
– allgemeine Klimaverschlechterung im 14. Jh. mit Kleiner Eiszeit (1450 – 1850),
– zeitgenössisches Klimaoptimum (seit 1850).
Die zugrundeliegenden Prozesse für das Auftreten und die Amplitude der Schwankungen sind umstritten, da als Ursache nicht die menschengemachte CO2-Emission in Frage kommt. Doch aufgrund neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse über die Sonnenaktivität ist nun eine Lösung in Sicht.
Zunächst einmal möchte ich das Verhältnis von Leistung zu Energie in Erinnerung rufen. Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Energie ist eine Erhaltungsgröße. Mit ihr lässt sich Materie erwärmen und in Bewegung versetzen oder Ladungen lassen sich gegen elektrische Kräfte trennen. Leistung ist Energie pro Zeit. Die Spitzenleistung eines Prozesses gibt an, wie viel Energie im äußersten Fall fließt. Leistung ist Änderung von Energie.
Hochenergie-Laser
Ein Hochenergie-Laser überträgt in einem einzelnen Impuls maximale Energie. Dabei darf der Impuls nicht beliebig lang sein, denn die Energie soll Materie lokal erwärmen. Die Energie sollte schneller deponiert werden als sich wärme im Material verteilt.
Der Hochenergie-Laser, der bei uns in der Experimentierhalle zum Einsatz kommen wird, wird so etwa 100 Joule in zwei bis zwanzig Nanosekunden langen Impulsen aufbringen. Das klingt zunächst nicht so viel.
100 Joule sind 24 Kalorien, also etwa die Energie, die benötigt wird um 1 Gramm Wasser um 24 Grad aufzuheizen. Ein Gramm Wasser ist ein Kubikzentimeter. Nun wird aber so ein Laser nicht auf einen Quadratzentimeter fokussiert, sondern auf Bruchteilen von Millimetern. Bei einem Fokuspunkt von 0,1 mal 0,1 Millimetern, eine Größenordnung, die leicht erreicht werden kann, haben wir es mit einem Zehntausendstel Quandratzentimeter zu tun. Bei einer Eindringtiefe unter einem Millimeter erwärmen wir schon um hunderttausende Grad.
Nanosekunden sind Milliardstel Sekunden. Das ist die Zeitspanne, in denen sich Gasatome im Millimeter-Bereich fortbewegen. Eine Explosion kommt also in einer Nanosekunde nicht weit. Einige Nanosekunden sind somit genau die richtige Zeit, einem submillimeter kleinen Materieklumpen so richtig einzuheizen.
Hochenergielaser basieren auf Glas- oder Kristallscheiben, die mit der Seltenen Erde Ytterbium1 versetzt (dotiert) sind. Ein Lichtimpuls wird zunächst in einem Laserresonator erzeugt und durch Cavity Dumping extrahiert. Die Ytterbium-Ionen in den Kristallscheiben werden rechtzeitig angeregt und der Laserimpuls wird kohärent verstärkt. Dabei heizen sich die Scheiben an die Grenze ihrer Belastbarkeit auf. Die Rate, mit der solch ein Laser feuern kann, ist im Wesentlichen durch die Zeit begrenzt, die es braucht, die Scheiben wieder abzukühlen. Bei uns wird mindestens ein Impuls pro Sekunde, besser zehn anvisiert. Zehn Impulse pro Sekunde ist die Rate, mit der unser Beschleuniger-basierter Röntgenlaser getaktet ist.
Hochintensitäts-Laser
Hochleistungs- oder Hochintensitäts-Laser erreicht man, indem man die Impulse viel kürzer macht. Leistung ist schließlich Energie pro Zeit. Mit etwa 30 Femtosekunden sind solche Laserimpulse eine Millionen mal kürzer als die der Hochenergie-Laser. Dafür enthalten sie nur ein fünfundzwanzigstel der Energie: 4 Joule.
Wie ich einmal zeigte, ist die Wellenlänge optischer Laser viel größer als die Ausdehnung von Atomen. Licht wirkt hauptsächlich als schwingendes elektrisches Feld. Wie ein Kahn auf dem Wasser, schwingen die Elektronen im Feld mit. In den meisten Fällen ist das elektrische Feld einer Lichtquelle nur eine winzige Schwankung im elektrischen Gesamtfeld. Wechselwirkungen sind meist Resonanzen. Bei Hochintensitäts-Lasern ist das anders: Hier reicht das elektrische Feld aus, um den Atomen ganz direkt Elektronen zu entreißen.
Die Hauptwirkung solch eines Lasers ist also nicht die Erwärmung von Materie sondern direkte Wechselwirkung mit den Elektronen. Dabei können die Elektronen so schnell werden, dass sie bei Rückkehr zum Atom kurze Röntgenblitze erzeugen oder sogar Protonen aus dem Kern herausschlagen können.
Die Kenngröße für hohe Intensität ist Leistung pro Fläche: Watt pro Quadratzentimeter (W/cm²). Der 4 Joule, 30 Femtosekunden Laser kann, auf einige Mikrometer fokussiert, Flächen-Leistungsdichten von über 1020 W/cm² erreichen2. Die Ionisationsschwelle, also die nötige Leistungsdichte um Elektronen gerade so aus dem Material herauszulösen, liegt bei 1012 W/cm² für Metalle und 1013 W/cm² für Nichtleiter.
Zur Erzeugung hoher Intensitäten und kurzer Pulse ist ein Laser mit Modenkopplung über einen großen Wellenlängenbereich nötig. Zum Einsatz kommen hier Titan-dotierte Saphir-Kristalle. Titan-Saphir-Laser erzeugten Licht um 800 Nanometer Wellenlänge, also im infraroten Spektralbereich, mit einer großen Bandbreite zwischen 670 und 1070 Nanometern. Das macht diese Laser über einen weiten Wellenlängenbereich abstimmbar oder es lassen sich besonders kurze Impulse erzeugen. Die große Bandbreite hat außerdem den Vorteil, dass sich die Laserimpulse mit Beugungsgittern zeitlich strecken und komprimieren lassen. Es kann ein relativ langer Impuls verstärkt werden, um die maximale Leistungsdichte im Kristall zu reduzieren und so Schäden im Kristall zu vermeiden. Der verstärke Impuls wird dann wieder auf wenige Femtosekunden komprimiert, um maximale Spitzenleistung zu erreichen.
Was nun besser ist, ein Nanosekunden-Laser mit 100 Joule oder ein Femtosekunden-Laser mit 4 Joule, hängt vom Experiment ab. Von der Fragestellung, die es zu beantworten gilt. Wenn beides zur Verfügung steht, können wir Materie mit hohen Energien oder unter Einfluss hoher Felder studierten.
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