Neue Höchstleistungslaser für Medizin und Naturwissenschaften

Neue Nachwuchsforschergruppe am Institut für Optik und Quantenelektronik der Universität Jena

Ein Tumor im Gehirn lässt sich nur sehr schwer behandeln, denn ihn umgibt höchst sensibles Gewebe. Die Behandlungslösung der Zukunft könnte ein Protonenstrahl sein, der von einem Laser erzeugt wird. Diese Protonen, also die Elementarteilchen des Atomkerns, können dann den Tumor zielgenau zerstören, ohne das umliegende Hirn zu beschädigen. An der Entwicklung und am Einsatz des dafür benötigten Lasers arbeitet eine neue Nachwuchsforschergruppe um Dr. Malte Kaluza am Institut für Optik und Quantenelektronik (IOQ) der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Etwa 1999 entstand an diesem Institut die Idee für einen Höchstleistungslaser mit einer Leistung im Petawatt-Bereich. Das entspricht 1.000 Billionen Watt, für deren Erzeugung sonst eine Million Kernkraftwerke notwendig wären. In den ersten Jahren konnte das Team am IOQ nachweisen, dass der Aufbau eines solchen Lasersystems prinzipiell möglich ist. Darauf aufbauend haben sie einen komplett diodengepumpten Festkörperlaser der Ein-Petawatt-Klasse, genannt POLARIS (Petawatt Optical Laser Amplifier for Radiation Intensive Experiments), entwickelt.

Dieses System wird nach seiner Fertigstellung Laserpulse erzeugen, die mit einer Intensität von 10 hoch 21 Watt/Quadrat-cm auf ein Ziel fokussiert werden können. Was das bedeutet, beschreibt Dr. Kaluza mit einem Vergleich: Nimmt man das gesamte auf die Erdoberfläche fallende Sonnenlicht und konzentriert es auf einem Fleck von einem Zehntel Millimeter Durchmesser, dann erreicht man etwa die angestrebte Intensität.

Dr. Kaluza nennt weitere Anforderungen an den Laser. Er soll eine extrem kurze Pulsdauer von 150 Femtosekunden haben. Die Pulsenergie soll 150 Joule erreichen. Und der Laser soll mit einer Pulsfolge von einem Schuss pro zehn Sekunden abgefeuert werden können. Von diesen Parametern ist die neue Forschergruppe noch etwas entfernt. „In einem ersten Schritt wollen wir alle 10 bis 30 Sekunden einen Puls erzeugen“, sagt Dr. Kaluza. Bereits das wäre für solche Pulsenergien weltweit ein Spitzenwert. Die Leistung des Lasers soll Ende des Jahres 0,1 Petawatt erreichen. „Schon damit können wir erste Experimente zur Elektronen- und Ionenbeschleunigung durchführen, um die Physik der Wechselwirkungen zu studieren“, erklärt der 31-jährige Wissenschaftler, der die neue Nachwuchsforschergruppe seit Jahresbeginn leitet. Zuvor hat der aus Gießen stammende Physiker an der Technischen Universität München, am Max-Planck-Institut für Quantenoptik sowie am Imperial College London mit ähnlichen Lasersystemen geforscht.

Die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten eines Höchstleistungslasers sind vielfältig. So könnte er in Zukunft monoenergetische Protonen- oder Ionenstrahlen für die oben beschriebene Tumortherapie liefern, sagt Dr. Kaluza. Die Eigenschaften eines solchen Protonenstrahls müssen dafür so präzise eingestellt und kontrolliert werden, dass nur das kranke Tumorgewebe zerstört wird. „POLARIS ist ein sehr aussichtsreicher Kandidat für solche Anwendungen“, weiß Dr. Kaluza. Auf der Technologie von POLARIS aufbauende Lasersysteme wären zudem – im Vergleich zu kilometergroßen Beschleunigeranlagen – kompakt genug, um sie auch in Krankenhäusern betreiben zu können. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit wäre die Herstellung von radioaktiven Nukliden für die Medizin mit einer genau definierten Zerfallsdauer für die Diagnose.

Mit POLARIS können aber auch extrem kurze Röntgenpulse oder ein Röntgenlaser erzeugt werden. Neben der Realisierung einer extrem intensiven Röntgenquelle für lithographische Techniken wäre auch die Analyse chemischer Reaktionen möglich. Diese laufen so schnell ab, dass sie mit herkömmlichen Methoden nicht vollständig erfasst werden können. „Das wäre etwa so, als würde man versuchen, bei einem vorbeifahrenden Formel-1-Rennwagen die Aufschrift auf den Reifen mit dem bloßen Auge zu lesen“, sagt Malte Kaluza. „Teilt man unseren Laser in zwei Strahlen, könnte mit der einen Hälfte z. B. eine Reaktion ausgelöst werden. Mit der anderen Hälfte erzeugen wir dann einen ultra-kurzen Röntgenblitz, mit dem wir dann in mehreren aufeinanderfolgenden Aufnahmen den Ablauf der chemischen Reaktion in Einzelschritten sichtbar machen können“, beschreibt er eine weitere mögliche Anwendung von POLARIS.

Die Arbeit der von Dr. Kaluza geleiteten Nachwuchsforschergruppe, der 16 Mitarbeiter angehören, wird vom Bundesforschungsministerium gefördert. Bis Ende 2010 stellt das Ministerium dafür fünf Millionen Euro zur Verfügung.

Kontakt:
Dr. Malte Kaluza
Institut für Optik und Quantenelektronik der Universität Jena
Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947280
E-Mail: kaluza[at]ioq.uni-jena.de