Preisverleihung Leibinger-Stiftung Im Zeichen des Lichts

Der Erstplatzierte Balthasar Fischer (re.)  von der TU Wien hat ein  Lasermikrofon entwickelt,  das  den Schall misst – also direkt die minimalen Dichteschwankungen der Luft. Foto:  
Der Erstplatzierte Balthasar Fischer (re.) von der TU Wien hat ein Lasermikrofon entwickelt, das den Schall misst – also direkt die minimalen Dichteschwankungen der Luft. Foto:  

Laser sind täglich in Gebrauch – zu Hause, beim Arzt und in Fabriken. Um ihre Bedeutung hervorzuheben, zeichnet die ­­Berthold-Leibinger-Stiftung mit Sitz in Ditzingen Physiker für ihre Arbeit bei der angewandten Lasertechnik aus.

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Ditzingen -

1. Platz: Hörbare Kratzer

Balthasar Fischer kann mit Licht hören. Sein Lasermikrofon kann beispielsweise erkennen, ob Bohrer verschleißen oder Lager unrund laufen. Es ist sogar so empfindlich, dass es selbst kleinste Unregelmäßigkeiten auf Oberflächen aufspüren könnte – winzige Kratzer in Windschutzscheiben etwa oder Verschleißspuren in der Flugzeughaut. „Das membranlose optische Mikrofon ist sozusagen ein neuer Typ Sensor für akustische Wellen“, sagt Sven Ederer von der Berthold-Leibinger-Stiftung.

Anders als in herkömmlichen Mikrofonen wird bei dem Lasermikrofon keine Membran vom Schall in Schwingungen versetzt, die in elektrische Impulse verwandelt und dann aufgezeichnet werden. Das Lasermikrofon, das der gebürtige Schweizer Fischer an der Technischen Universität Wien entwickelt hat, misst den Schall, also direkt die minimalen Dichteschwankungen der Luft.

Die Technik funktioniert folgendermaßen: Ein Laserstrahl dringt in den Raum zwischen zwei Spiegeln ein und wird viele Male hin- und herreflektiert. Wenn aber aufgrund von Schallwellen die Luft zwischen den Spiegeln zusammengedrückt wird, verändert sich auch die Wellenlänge des Laserlichts. „Die Schwankungen des Lichtsignals werden dann aufgenommen, verarbeitet und abgespeichert“, sagt Ederer. Auf diese Weise lassen sich besonders präzise Mikrofone bauen, die im Gegensatz zu den Modellen mit Membran eine geringere Störanfälligkeit für Windgeräusche und Körperschall haben.

Inzwischen gibt es zwei Typen von Mikrofonen, die schon fast serienreif sind: Während das eine vor allem für Materialwissenschaftler und Ingenieure von Interesse ist, soll das Modell MicrOs durchaus in der herkömmlichen Unterhaltungselektronik eingesetzt werden – etwa in Audiosysteme oder Navis, aber auch in Smartphones. Zumindest hat der Physiker Balthasar Fischer schon das Unternehmen Xarion gegründet, das an der Vermarktung der Lasermikrofone tüftelt.

2. Platz: Spiegel für Einstein

Fast auf den Tag genau 100 Jahre ist es her, seit sich Albert Einstein in den Kopf gesetzt hatte, dass es Gravitationswellen geben muss – also periodische Verzerrungen des Raum-Zeit-Gefüges. Als es dann Forschern mit dem Ligo-Observatorium in den USA Anfang des Jahres gelang, diese Wellen nachzuweisen, freuten sich die Quantenforscher Garret Cole und Markus Aspelmeyer von der Uni Wien ganz besonders: Sie sollen nämlich den dafür nötigen Messapparat mithilfe ihrer Erfindung noch präziser machen. Cole und Aspelmeyer sind Gründer des Unternehmens Crystalline Mirror Solutions, das die präzisesten Spiegel der Welt anbietet.

Im Prinzip funktioniert die Messung von Gravitationswellen so: Man stellt zwei Röhren im rechten Winkel mit Spiegeln auf, zwischen denen ein Laserstrahl hin- und herreflektiert wird. Dieser soll die Länge der Röhren exakt überwachen. Läuft nun eine Gravitationswelle durch diese Anlage, verzerrt sie die beiden Röhren unterschiedlich. Diese Differenz misst der Laserstrahl. „Weil diese Veränderungen so winzig sind, braucht es sehr gute Spiegel“, sagt Sven Ederer. Diese erhält man mithilfe einer besonderen Beschichtung, die die beiden Quantenforscher Cole und Aspelmeyer entwickelt haben: Sie überziehen die polierten Glasspiegel mit perfekten Kristallen, die durch ihre periodische Struktur hervorragende optische und mechanische Eigenschaften haben. Sprich: Die Störungen, die bei bisherigen Spiegeln entstehen, weil deren Moleküle unregelmäßig angeordnet sind, können so auf ein Minimum reduziert werden.

2. Platz: Lasern statt Löchern

Vom Automotor bis hin zur Flugzeughaut: Wenn die Materialforscher Frank Mücklich und Andrés-Fabián Lasagni ihrem Handwerk nachgehen, sehen Bauteile und Materialien nicht nur schöner aus – sie leiten dann die Energie auch besser oder verursachen weniger Luftwiderstand. Denn Mücklich, Professor für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes und Direktor des Material Engeneering Center Saarland hat zusammen mit Professor Lasagni vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik sowie von der Technischen Uni Dresden, ein Verfahren entwickelt, mit dem man direkt die Oberfläche von Metall, Kunststoff oder Keramik mit Laserstrahlen bearbeiten kann und ihre Struktur so verändert, dass sie widerstandsfähiger wird und weniger Reibungsfläche bietet. Bei der sogenannten Laserinterferenz-Technologie werden mehrere Laserstrahlen auf das Material gerichtet. Dabei überlagern sich die Laserstrahlen und bilden Muster, wie Wellen, die entstehen, wenn man Steine gleichzeitig ins Wasser wirft. Auf einen Schlag kann man dadurch auf der Fläche eines Quadratzentimeters äußerst präzise Muster in der Größenordnung von wenigen Nanometern erzeugen, heißt es seitens der Universität des Saarlandes. Durch die extreme Hitze des Laserstrahls entstehen winzige Vertiefungen und Erhebungen, erklärt Sven Ederer von der Berthold-Leibinger-Stiftung. Sogar die innere Struktur eines Materials kann so bearbeitet werden, dass sich der Härtegrad verändert. Bereiche, in der sich die Laserinterferenz-Technologie bezahlt macht, gibt es genug: Am aussichtsreichsten ist wohl die Bearbeitung von elektrischen Steckverbindungen: „Per Laser können Stecker so bearbeitet werden, dass sie zuverlässig halten und doch lösbar sind.“

3. Platz: Künstliche Sterne

Sterngucker zieht es nach Südamerika. Dort, in der chilenischen Atacama-Wüste sehen sie, was ihnen anderswo aufgrund von Licht- und Umweltverschmutzung verwehrt bleibt: einen mit Sternen übersäter Nachthimmel. Fast nirgends auf diesem Planeten ist die Luft so trocken, so klar, so sauber wie am Fuß der Anden, 2400 Meter über dem Meeresspiegel. So ist es nicht verwunderlich, dass die Astronomen des European Southern Observatory (Eso) hier ihre Großteleskope aufgebaut haben.

Wer diese des Nachts aufsucht, wird etwas Besonderes sehen: Aus einem der Großteleskope schießen vier säulendicke Strahlen etwa 25 Kilometer weit in den Nachthimmel, wo sie sich zu einem breiten Fleck vereinen. Der künstliche Stern ist Teil einer Technik namens „Adaptive Optik“, die von Forschern der Laser Star Alliance zusammen mit der Firma Toptica Photonics aus Gräfelfing bei München und dem kanadischen Unternehmen MPBC dahingehend entwickelt worden ist, dass nun eines der Teleskope der Eso mit dem leistungsfähigsten System zur Erzeugung künstlicher Leitsterne ausgestattet werden konnte. Diese sollen dazu dienen, den Astronomen schärfere Bilder aus dem All zu liefern. „Selbst die besten Teleskope, die von der Erde aus Sterne im Weltraum beobachten, haben mit atmosphärischen Luftunruhen zu kämpfen, die das Bild unscharf werden lassen“, sagt Sven Ederer von der Berthold-Leibinger-Stiftung. Die Adaptive Optik soll diese Verzerrung ausgleichen: Das gelingt, weil die Lasersstrahlen die Natriumschicht am Übergang von der Erdatmosphäre zum Weltraum beleuchten. Dort werden die Natriumatome zum Leuchten angeregt. „Anhand des zurückgeworfenen Lichtes gelingt es, die atmosphärisch bedingten Verzerrungen zu messen“, sagt Sven Ederer. Die verstellbaren Spiegel der Teleskope können aufgrund dieser Information so eingestellt werden, dass die Verzerrung ausgeglichen wird. Die Laser können aber auch für die Verfolgung von Satelliten oder das Aufspüren von Weltraumschrott genutzt werden.

Zukunftspreis: Endlich wieder scharf sehen

Die Brille muss weg – so denken Jahr für Jahr rund 100 000 Bundesbürger und lassen sich die Augen lasern. Um die Sehschärfe zu korrigieren, schneidet ein Laser die Hornhaut ein und verflacht die darunterliegenden Schichten, so dass sie die Lichtstrahlen anders bricht. Fertig ist die Augenkorrektur, die seit nahezu 20 Jahren zum medizinischen Standard gehört. Die Entwicklung der sogenannte Ultra-Kurzpulslaser hat vor allem im medizinischen Bereich viel bewirken können: Operationen werden mit Laser-Skalpellen durchgeführt, Narben verschlossen. Schon vor mehr als 30 Jahren wurde dazu die Grundlage gelegt: 1985 entwickelte der französische Physiker Gerard Mourou die sogenannte Chirped Pulse Amplification (zu deutsch: Verstärkung gestreckter Pulse). Für diese zukunftsweisende Erfindung erhält Mourou nun den Zukunftspreis der Berthold-Leibinger-Stiftung, der seit 2006 alle zwei Jahre zusammen mit dem Innovationspreis verliehen wird.

Mit „Chirping“ ist in der modernen Lasertechnik das zeitliche Dehnen eines Signals gemeint. Sprich: Der Wellenpuls eines Lasers wird um das Hundertfache auseinandergezogen. Dabei sinkt die Pulsintensität um denselben Faktor. Nun kann der Puls einen üblichen Laserverstärker durchlaufen, ohne ihn zu beschädigen. Am Ende wird der Puls von zwei robusten Bauteilen auf seine ursprüngliche Dauer zusammengeschrumpft – und somit wird auch die Pulsleistung erhöht.

Solche Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern von einigen Pikosekunden bis hin zu wenigen Femtosekunden ermöglichen nicht nur augenärztliche Eingriffe. Auch die Mikromaterialbearbeitung konnte so revolutioniert werden. Metallische Werkstoffe lassen sich damit so präzise bearbeiten, ohne dass das umliegende Material geschädigt wird – was bei der Bearbeitung von temperatursensiblen Kunststoffen, Keramiken oder Solarzellen wichtig ist.

Der 72-jährige Mourou forscht noch heute, wie energiereiche Strahlung auf Materialien wirkt. 2006 gründete er hierfür auch das Forschungsprojekt namens Extreme Light Infrastructure (ELI). Dieses hat zum Ziel, eine über verschiedene Standorte in Osteuropa verteilte Forschungsinfrastruktur entstehen zu lassen, in der Wissenschaftler aus aller Welt die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie erkunden können.

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