Technische Universität Wien
Laser-Forschung an der TU Wien: Strahlende Erfolge in vielen Fachgebieten
Wie wichtig der Laser für Technologie und Wissenschaft geworden ist, erkennt man auch an der beinahe unüberblickbaren Menge an ExpertInnen, die in den unterschiedlichsten Forschungsgebieten an der TU Wien mit Lasern arbeiten:
Fotos von atomaren Prozessen: Elektronen, bitte lächeln!
Blitzschnell: Andrius Baltuska
Mit besonders kurzen Laserpulsen beschäftigt sich Prof. Andrius Baltuska und sein Team (Institut für Photonik). Vorgänge auf dem Atom- und Molekülbereich laufen oft ausgesprochen schnell ab. Um Prozesse zu untersuchen, die nach winzigen Sekundenbruchteilen wieder vorbei sind, verwendet man ultrakurze Laserpulse – ähnlich wie ein Sportfotograph eine sehr kurze Belichtungszeit wählt, um besonders schnelle Bewegungen festzuhalten.
Unvorstellbar kurze Lichtblitze, mit einer Dauer von nur 250 Attosekunden können an der TU Wien erzeugt werden. (Eine Attosekunde ist ein Millionstel eines Millionstels einer Millionstelsekunde, also 10^(-18) Sekunden.) Das ist freilich nur mit ausgeklügelten Versuchsaufbauten und hochkomplexen Tricks möglich. Herkömmliche Laser schießen gepulstes Licht auf Atome, denen dadurch ein Elektron entrissen wird. Wenn diese Elektronen kurz darauf wieder zu ihren Atomen zurückkehren, werden Lichtteilchen ausgesandt, aus denen schließlich ein ultrakurzer Laserpuls entstehen kann.
Hilfe, meine Elektronik benimmt sich quantenphysikalisch!
Erforscht den "Terahertz Gap": Karl Unterrainer
Die Arbeitsgruppe von Prof. Karl Unterrainer (Institut für Photonik) beschäftigt sich mit Terahertz-Lasern. Eine Lichtfrequenz im Terahertz-Bereich bedeutet eine Wellenlänge von Millimetern bis Mikrometern – etwas langwelliger also als sichtbares Licht.
Dieser Bereich ist besonders schwer zu erforschen: Schon lange hat man Erfahrung mit größeren Wellenlängen (etwa Mikrowellen, in einem Maser), oder auch kleineren Wellenlängen (Laser, die sichtbares Licht aussenden). Der Bereich dazwischen galt allerdings lange als unbekanntes Gebiet, als "Terahertz Gap" der Photonik. Dabei ist genau dieser Bereich ganz besonders spannend: Fortschritte in der Mikroelektronik lassen Halbleiter-Bauelemente immer kleiner werden. Im Bereich der Nanostrukturen (Bauelemente mit einer Größe von weniger als einem Millionstel Meter) kommt es zum Auftreten von Quanteneffekten. Viele dieser Effekte liegen genau in einem Energiebereich, der nur mit Terahertz-Strahlung untersucht werden kann.
Maßgeschneidertes Design im Nanoformat
Fan des Quantenkaskadenlasers: Gottfried Strasser
Besonderes Augenmerk auf die Materialien, aus denen Laser gebaut werden können, legt Prof. Gottfried Strasser (Institut für Festkörperelektronik). Gewöhnliche Laser arbeiten mit den Energieniveaus von Atomen, zwischen denen Elektronen hin und herwechseln können. Die Eigenschaften des Atoms kann man freilich nicht verändern.
Flexibler ist man, wenn man etwa statt einzelner Atome speziell designte Halbleitermaterialien verwendet. Auch sie haben Elektronen-Energieniveaus, die zur Erzeugung von Laserlicht benutzt werden können. Winzige Nanostrukturen werden höchst präzise Atomschicht für Atomschicht aufgetragen, bis man einen maßgeschneiderten Miniatur-Laser hat. Zu diesen speziellen Halbleiterlasern gehört auch der Quantenkaskadenlaser, mit dem Wellenlängenbereiche erschlossen werden, die andere Laser nicht erreichen können.
Bunt ist alle Theorie
Erst die Theorie: Joachim Burgdörfer
Damit Laser-Experimente gut verstanden und analysiert werden können, sind natürlich auch theoretische Berechnungen von größter Bedeutung. Das ist das Gebiet von Prof. Joachim Burgdörfer und seiner Arbeitsgruppe (Institut für Theoretische Physik). Um die bunte Palette komplexer Vorgänge bei Laser-Experimenten richtig zu beschreiben, reichen Papier und Bleistift meist nicht aus.
Großangelegte Computersimulationen sind notwendig, um etwa berechnen zu können, welchen Effekt kurze Laserpulse auf einzelne Atome haben. Diese Rechnungen werden zum Teil auf einigen der größten Computercluster der Welt durchgeführt, auch der neue Vienna Scientific Cluster (VSC) an der TU Wien leistet für solch hochaufwändige Simulationen wertvolle Dienste. So können einerseits die Daten bereits durchgeführter Experimente am Computer reproduziert und überprüft werden, andererseits kann man bisher noch unerforschte Effekte analysieren, die dann später im Experiment nachvollzogen werden sollen.
Atomchips und Hirngewebe
Jongliert mit Quanten: Hannes-Jörg Schmiedmayer
Neben den WissenschaftlerInnen, die sich mit grundlegenden Fragen der Laserphysik beschäftigen, gibt es an der TU Wien noch eine ganze Reihe von Forschungsgruppen, in denen der Laser ein wichtiges, täglich angewandtes Werkzeug ist.
Prof. Hannes-Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut vereint in seinem Labor Atomphysik mit Mikroelektronik. Bei seinen Experimenten, die Quanteneffekte von Atomen für Rechnungen auf Mikrochips nutzbar machen sollen, ist der Laser von großer Bedeutung – etwa für die Laserkühlung von Atomen zu Bose-Einstein-Kondensaten.
Prof. Hans-Ulrich Dodt (Institut für Festkörperelektronik) gelingt es mit Hilfe des Lasers, in biologisches Gewebe hineinzuschauen. Mit der von ihm entwickelten Technik können etwa dünne Schichten innerhalb des Gehirns mit Laserlicht abgetastet und bildlich dargestellt werden.
"Laserpionier" an der TU Wien: Wolfgang Husinsky
Wechselwirkung von Laserlicht mit Materie
Prof. Wolfgang Husinsky vom Institut für Angewandte Physik beschäftigt sich in seinen Experimenten mit der Wechselwirkung von Laserlicht mit Materie. Mit Lasern lassen sich auf Oberflächen gezielt winzige Strukturen erzeugen (Material Processing). Auch zur Analyse von Oberflächen kann der Laser eingesetzt werden. So kann man höchst präzise feststellen, welche Atomsorten auf der untersuchten Oberfläche vorkommen. Natürlich spielt die Wechselwirkung von Lasern und Oberflächen auch in der Medizin eine große Rolle. So finden etwa Forschungsergebnisse über die Materialbearbeitung durch Laser unter anderem Anwendung in der Hornhautchirurgie.
Mikrobauteile und Umweltautos
v.l.n.r.: Rapid Prototyping: Jürgen Stampfl, Robert Liska. Zündet mit Laser: Ernst Wintner
Prof. Jürgen Stampfl (Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie) und Prof. Robert Liska (Institut für angewandte Synthesechemie) verwenden den Laser für "Rapid Prototyping". Dabei werden dreidimensionale Bauteile (etwa medizinische Implantate) am Computer entworfen, und dann hochpräzise als reale Werkstücke ausgegeben – selbst Strukturen von einem dreitausendstel Millimeter können solche "3D-Drucker" noch korrekt erzeugen.
Prof. Ernst Wintner (Institut für Photonik) arbeitet daran, mit Hilfe des Lasers Verbrennungsmotoren effizienter und umweltschonender zu machen. Statt der herkömmlichen Zündkerze könnte in Zukunft eine Laseroptik zum Einsatz kommen. Das soll helfen, den Treibstoffverbrauch von Autos zu reduzieren.
Institut für Umform- und Hochleistungslasertechnik
Laser im Applikationslabor des ILFT
Die ForscherInnen dieses TU-Institutes arbeiten auf dem Gebiet der Laser- und Umformtechnik. Die Aktivitäten reichen von mathematischen Modellen der Lasermaterialbearbeitung, über Berechnungen von Laserresonatoren bis hin zu industriellen Anwendungen, wie die Entwicklung neuer Lasersysteme und neuer Laser- und Umformprozesse.
Die experimentelle Ausrüstung umfaßt mehrere CO2-Laser mittlerer Leistung, einen 10 kW CO2 Laser verbunden mit einem 5-Achs-Portalroboter, Nd:YAG Laser mit 3 kW und 300 W, Diodenlaser, Faserlaser mit 1,5 kW und einen 30 W Excimerlaser. Für Umformversuche stehen weiters eine Werkzeugprobierpresse, eine Abkantpresse sowie verschiedene experimentelle Umformanlagen zur Verfügung.