II.2.7 Institut für Laser-Physik der Universität Hamburg

Die Universität Hamburg errichtete 1990 am Fachbereich Physik das Institut für Laser-Physik. Es ist konzipiert als Stätte der Forschung und Lehre über die Wechselwirkung von Laser-Licht mit Materie, über kohärente Lichtquellen, sowie über die Anwendung von Laser-Licht auf innovative Meß- und Präparationsverfahren. Laser werden erfolgreich eingesetzt bei spektroskopischen Analysemethoden, hochgenauen Längen- und Zeitmessungen, Telekommunikation, für Materialbearbeitung und in der Medizin-Technik. Die Herstellung von technischen Kristallen und Dünnfilm-Beschichtungen sowie die Entwicklung von Lasern verschiedener Art und Eigenschaften sind dafür notwendig. Das Institut für Laser-Physik arbeitet auf diesen Gebieten. Voraussetzung für den Erfolg seiner Vorhaben sind umfangreiche Grundlagenforschungen in der Kristalloptik, der Quantenoptik und Laser-Spektroskopie. Die Tätigkeit des Instituts für Laser-Physik umfaßt daher eine Vielzahl von Aufgaben:

• Entwicklung von Lasern auf der Grundlage neuer Materialien oder mit neuartigen Eigenschaften
• Nachweis kleinster Substanzmengen mit Hilfe von Laser-Licht, etwa zur Lokalisierung von Schad- und Spurenstoffen
• Präparation und Untersuchung kleinster Substanzmengen - bis zu einzelnen Atomen - durch Laser-Licht, um deren Einsatz als Frequenznormale oder Lichtverstärker vorzubereiten
• Analyse fundamentaler Störvorgänge („Quantenrauschen“) in Lichtverstärkern und deren Reduzierung
• Untersuchung der fundamentalen physikalischen Eigenschaften von Ionen in Kristallen mit Hinblick auf deren Laser-Anwendung
• Entwicklung feinoptischer Komponenten auf der Grundlage dielektrischer Vielschichtensysteme.

Diese Arbeiten erstrecken sich von der Behandlung fundamentaler Probleme der Quantenoptik über die Laser-Technik bis zu präparativen Verfahren der Hochtechnologie. Die Arbeiten werden in erheblichem Umfang gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Volkswagen-Stiftung, durch das BMBF und die Hamburgische Wissenschaftliche Stiftung. Ein Teil der im Fortgang befindlichen Arbeiten wird sich in neuartigen Laser-Lichtquellen, Meß- und Analyse-Geräten sowie optischen Verfahren und optischen Komponenten niederschlagen.

Das Institut ist gegenwärtig in zwei Arbeitsbereiche gegliedert:

1. Quantenoptik und Laser-Spektroskopie. Dieser Bereich widmet sich der Entwicklung von Verfahren zum Nachweis kleinster Stoffmengen, zur Präparation und Manipulation einzelner Atome, sowie der Untersuchungen fundamentaler Vorgänge bei der Wechselwirkung von Licht und Materie. Ferner werden Laser mit neuartigen Eigenschaften konzipiert und erprobt.
2. Festkörper-Laser. Die Schwerpunkte der Arbeit dieses Bereiches sind: Untersuchungen und Anwendungen von neuen Laser-Materialien, insbesondere die Kristallzucht von neuen laseraktiven Materialien aus der Schmelze; die spektroskopische Charakterisierung von Laser-Kristallen; die physikalischen Grundlagen und die Entwicklung von neuen Festkörper-Lasern sowie die Erforschung von Lasern für Anwendungen in der Mikrosystemtechnik, Medizintechnik, Meßtechnik und Informations- und Kommunikationstechnologien.

Forschungsthemen

Bariumion in einer „Ionen-Falle“

Die Bestrahlung von Materie mit Laser-Licht erlaubt die Ermittlung von Eigenschaften materieller Proben, aber auch das Verständnis der Wechselwirkung von Licht und Materie und die Entwicklung neuartiger Meß- und Präparations-Verfahren. Diese Verfahren machen davon Gebrauch, daß man Atom- oder Molekül-Resonanzen mit hoher Genauigkeit messen oder geringste Stoffmengen mit extremer Empfindlichkeit ermitteln kann. So erfolgt etwa der Nachweis kleinster Atom- oder Molekülzahlen mit Hilfe der Absorption von Laser-Licht durch diese wenigen Atome oder Moleküle im Resonator eines Lasers. Der Laser oszilliert dabei in einem weiten Spektralbereich bei einer großen Zahl fester Frequenzen. Die Störung durch die Absorption der nachzuweisenden Teilchen führt zu spektraler Umverteilung des Laser-Lichtes, deren Stärke mit der Wechselwirkungszeit zunimmt, d.h. mit der Zeit, die das Licht beim Umlauf im Laser-Resonator zubringt und mit dem Weg, den es dabei zurücklegt. Die Umverteilung wird im Spektrum des Lichtes photoelektrisch nachgewiesen. Dieses Verfahren führt zu einer Höhe der Empfindlichkeit, die bereits den Nachweis einzelner Atome erlaubt. Ein kompakter Sensor, der dieses Analyse-Verfahren anwendet, ist in Entwicklung.

In Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Strömungsforschung in Göttingen wird das Verfahren auf die Untersuchung von Atom-Clustern angewandt. Derartige Zusammenballungen von Atomen oder Molekülen treten in Erscheinung bei Katalyse-Vorgängen und Kondensations-Prozessen, und sie spielen in der Atmosphäre eine große Rolle.

Die Miniaturisierung und Mikrostrukturierung physikalisch-technischer Systeme schreitet schnell fort und führt zur Entwicklung von Methoden zur Präparation und Manipulation selbst einzelner Atome. Im Rahmen des Arbeitsbereichs Quantenoptik und Laser-Spektroskopie wird auf diesem Gebiet seit Jahren Pionierarbeit geleistet, nachdem 1980 erstmals die Isolation und der Nachweis eines einzelnen atomaren Teilchens gelang. Derartig präparierte Einzelteilchen sind so gut wie frei von allen Störungen durch Umwelteinflüsse. Daher sind ihre inneren Schwingungen Frequenzmarken von höchster Absolutgenauigkeit.

Die „Atomuhr“ auf der Grundlage eines Einzel-Ions wird für hochgenaue Zeitmessungen dienen, wie sie für ganz verschiedene Vorhaben erforderlich sind: für die globale Geodäsie zur Bestimmung der Kontinentaldrift, für die interkontinentale Datenübertragung und für die Weltraum-Navigation. Bei dem Vorhaben besteht Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig.

Dielektrische Oberflächenbeschichtungen spielen bei zahlreichen Anwendungen optischer Systeme eine entscheidende Rolle; z.B. werden Halbleiterdioden-Laser in ihrem Abstimmverhalten und ihrer Ausgangsleistung drastisch verbessert. Derart behandelte Dioden-Laser werden eingesetzt für die spektrale Analyse in der Medizin und Materialkunde, oder in der Fernerkundung atmosphärischer Schadstoffe. Ein Vorhaben über das Vorkommen aggressiver Molekülbruchstücke in der Atmosphäre wird gemeinsam mit dem Institut für Fernerkundung der Universität Bremen vorbereitet.

Eine Grundlage für die Laserentwicklung ist die synthetische Herstellung von Laser-Kristallen höchster Reinheit und Perfektion. Die neue Generation von leistungsstarken Laser-Dioden eignet sich nahezu ideal zum Pumpen von Festkörper-Lasern. Diodenlaser als Pumpquellen erhöhen die Effizienz und die Lebensdauer des Laser-Systems entscheidend. Die Anwendungen dieser Laser liegen hauptsächlich in der Informations- und Kommunikationstechnik, Meßtechnik, Mikrosystemtechnik und in der Medizin.

Laserkristalle

Die enge Rückkopplung zwischen den drei Bereichen Kristallzucht - Grundlagenforschung - Laser-Entwicklung ermöglicht die internationale Konkurrenzfähigkeit der Arbeitsgruppe, die in ihrer Arbeitsweise Festkörperchemie und Physik interdisziplinär verbindet. Die relativ kleine Arbeitsgruppe im Institut für Laser-Physik ist nur deshalb mit großen Forschungszentren in USA (Stanford, MIT, Orlando, Livermore), Japan und Europa konkurrenzfähig und kann die internationale Entwicklung mitprägen. Das Arbeitsgebiet ist sowohl für Forscher als auch für Studenten besonders reizvoll und garantiert eine praxisnahe Ausbildung mit sehr guten Berufschancen für die Absolventen.