Laseranwendungen in der Forschung

Der Laser hat für Wissenschaftler den großen Vorteil, dass er Licht beziehungsweise Energie mit Präzision, zeitlicher Konstanz und Reproduzierbarkeit bereitstellt. Dadurch wurden viele Messverfahren revolutioniert, andere Phänomene konnten überhaupt erst mit dem Laser entdeckt werden.

Durch die Entwicklung der Piko- und Femtosekundenlaser sind sogar gänzlich neue Fachdisziplinen entstanden: die Kurzzeitphysik und Kurzzeitchemie beziehungsweise -biochemie, die den Ablauf chemischer Reaktionen auf molekularer Ebene und in extrem kurzen Zeiträumen erforschen.

Bei der Untersuchung vieler Lebensvorgänge spielen diese kurzen Pulse eine entscheidende Rolle, da wichtige Reaktionen wie die Photosynthese der Pflanzen oder der Sehprozess im Auge sich in entsprechend kurzen Zeiträumen abspielen.

Das Einsatzspektrum reicht heute von Astronomie und Physik über Chemie, Biochemie und Biologie bis zu den Geo- und Umweltwissenschaften sowie der Energietechnik.

Laserkühlung

Die Kühlung von Atomen mit Laserstrahlung ist ein relativ neuer Aspekt der Laseranwendung, da der Laser üblicherweise als Werkzeug zum Erhitzen eines Materials benutzt wird.

Um Atome zu kühlen, einzufangen und »in Ruhe« untersuchen zu können, gilt es zunächst, in einer speziellen Apparatur einen Atomstrahl zu erzeugen. Das Kühlprinzip für atomare Gase beruht auf der Abbremsung: Wärme ist physikalisch gesehen die ungeordnete Bewegung der Atome oder Moleküle eines Gases, der Laserstrahl mit einer bestimmten Frequenz stoppt die Teilchen gezielt. Dadurch sinkt deren Durchschnittsgeschwindigkeit und damit ihre Temperatur.

Die Photonen des Laserlichts üben, wenn sie absorbiert werden, einen winzigen Druck auf die absorbierenden Atome aus, den Lichtdruck. Ist dieser Lichtdruck gegen die momentane Bewegungsrichtung des Atoms gerichtet, so wird es gebremst. Dies ist trotz des winzigen Lichtdrucks möglich, da die Zahl der Photonen deutlich größer ist als die Zahl der absorbierenden Atome des Gases.

Um nun aber selektiv diejenigen Atome Photonen absorbieren zu lassen, die sich erstens auf den Laser zu bewegen und zweitens überdurchschnittlich schnell sind, hilft man sich mit dem Doppler-Effekt. Dieser bewirkt, dass für die bewegten Atome die Photonen eine andere Wellenlänge besitzen, als sie ruhenden Atomen erscheinen würden und zwar richtungsabhängig und umso stärker, je schneller die Atome sind.

Auf diese Weise hat jedes Atom eine von Richtung und Geschwindigkeit abhängige Vorzugsfrequenz für die Absorption, und so kann man durch Variation der Laserfrequenz tatsächlich nur die in einer gewählten Richtung jeweils schnellsten Atome abbremsen. Durch die Überlappung von sechs Laserstrahlen beispielsweise, die paarweise gegeneinander gerichtet sind, lässt sich ein Gas sehr stark abkühlen.

Auf diese Weise lassen sich Temperaturen unter einem Millikelvin erzeugen. Mit Hilfe weiterer Effekte lassen sich Temperaturen von einem Milliardstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt erreichen. (Für die Beschreibung dieser Phänomene und ihre experimentelle Umsetzung erhielten die Physiker Claude Cohen-Tannoudji aus Frankreich sowie Steven Chu und William D. Phillips aus den USA 1997 den Physiknobelpreis).

Optische Greifzange

Per Lichtdruck lassen sich auch Atome oder ganze Atom- und Molekülverbände einfangen und gezielt bewegen. Hierfür eignet sich zum Beispiel ein Argonionenlaser mit einer Leistung von 250 mW, der ein Glaskügelchen mit 25 µm Durchmesser tragen kann.

Diese Form der Teilchenmanipulation kann man als optische Pinzette nutzen. Mit ihr lassen sich Makromoleküle und noch größere Teilchen wie ganze Zellen greifen, transportieren und an bestimmter Stelle ablegen. Dies geschieht in speziellen Mikroskopen, in die Laserstrahlen eingekoppelt werden. Optische Pinzetten auf der Basis von infrarot strahlenden Neodym-YAG-Lasern kommen beispielsweise beim Klonen von Eizellen von Säugetieren zum Einsatz.