Laser ebenen Weg zu kompakten Sekundärstrahlquellen

Treffen Kurzpulslaser bestimmte Materialien, emittieren diese vielfältig nutzbare Elektronen-, Neutronen-, Protonen- oder Röntgenstrahlen. Das Phänomen ist der Schlüssel zu ultrakompakten Strahlquellen, in denen Photonen die Teilchen beschleunigen. Das Marktpotenzial ist groß. Die Laserindustrie beginnt erst, es zu heben. Führende Akteure treffen sich vom 24. bis 27. Juni auf der Laser World of Photonics 2025 in München.

Secondary Sources gelten als Zukunftsmarkt der Photonik. Kurze Laserpulse regen Materie dazu an, industriell, medizinisch oder auch wissenschaftlich nutzbare Strahlung zu emittieren. Derart erzeugte extrem ultraviolette (EUV)-Strahlung dient heute dazu, Nanostrukturen in die neueste Generation von Mikrochips einzubringen. Laserbasierte Neutronenstrahlen sollen schon bald stoffliche Analysen durch die Wände von Behältern und Containern hindurch ermöglichen, um in Häfen Drogen oder Waffen aufzuspüren oder den Inhalt versiegelter Atom- oder Giftmüllfässer zu analysieren, ohne diese öffnen zu müssen. Elektronenstrahlquellen auf Laserbasis versprechen tiefere, räumlich und zeitlich hochaufgelöste Einblicke in laufende Prozesse – und könnten im Zusammenspiel mit Künstlicher Intelligenz fehlerfreie Laserschweiß- und 3D-Druck-Prozesse ermöglichen oder beim Einfüllen von Elektrolyt in Batterien dessen Verteilung sichtbar machen. Oder präzise fokussierte Elektronen- und Protonenstrahlen aus kompakten Sekundärstrahlquellen könnten gezieltere Bestrahlungen zur Zerstörung von Krebszellen ermöglichen.

Ultrakurze Laserpulse als Teilchenbeschleuniger

Angesichts der Vielfalt an Einsatzgebieten und Zielmärkten wecken Secondary Sources in der Laserindustrie hohe Erwartungen und werden ein vieldiskutiertes Thema auf der Laser World of Photonics sein. Die beste Zeit des Lasers liege noch vor uns, heißt es bei TRUMPF – insbesondere auch mit Blick auf Sekundärstrahlen. Denn diese hätten das Potenzial, Medizin und Industrie zu revolutionieren. Prof. Constantin Häfner, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT Aachen, sieht es ähnlich. „Der Laser ist nicht ausgeforscht. Im Gegenteil: 60 Jahre nach seiner Erfindung geht es erst richtig los“. Er sieht riesige unerschlossene Märkte für die Photonik mit hunderten Milliarden Euro Umsatzpotenzial – und nennt neben Quantentechnologie, Cyberphotonics, Nachhaltigkeit und Fusion: Secondary Sources.

Der Optimismus gründet auch darauf, dass die photonische Kernkomponente der Sekundärstrahlquellen schnell reift: Hochleistungs-Ultrakurzpuls- und Kurzpulslaser mit Durchschnittsleistungen im Kilowatt-(kW)-Bereich. Aktuell laufende Projekte unter anderem im Fraunhofer-Exzellenzcluster Advanced Photon Sources (CAPS) verfolgen das Ziel, die Leistung bei zugleich hoher Strahlqualität und Pulsdauern im Piko- und Femtosekunden-Bereich bis auf 10 kW zu steigern. Solche Laser sind die Voraussetzung für Strahlquellen mit hoher Teilchenenergie und nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigten Teilchen. Den Impuls geben die von den Lasern emittierten Photonenpakete. Sie reißen die Elektronen-, Protonen- oder Neutronen teils nur auf wenigen Millimetern Wegstrecke förmlich mit. Wo bisher riesige, hunderte Meter lange Teilchenbeschleuniger nötig waren, werden nun kompakte, mobil einsetzbare Strahlquellen machbar.

Hightech in Reinkultur

Die EUV-(Extreme Ultraviolet)-Lithographie ist bereits zu einem industriellen Verfahren gereift, das Milliarden-Umsätze generiert. Die Basis dafür haben die LASER-Aussteller Fraunhofer IOF, TRUMPF und ZEISS gelegt. In Hightech-Anlagen werden rund 50.000 Zinn-Tropfen pro Sekunde in ein Hochvakuum geschossen und dort je zweimal von Pulsen eines Hochleistungs-CO2-Lasers von TRUMPF getroffen. So wird Zinn-Plasma gezündet, das EUV-Strahlung mit 13,5 Nanometern Wellenlänge emittiert.

Noch aufwendiger wird es, einen weiteren Zukunftsmarkt der Secondary Sources zu erschließen: Fusionskraftwerke, in denen Hochenergie-Laser ein Plasma aus den Wasserstoffisotopen Tritium und Deuterium zünden sollen. Dafür müssten die Pulse in einigen hundert Strahllinien von Diodenlasern der (über-)nächsten Generation mit Energie aufgeladenen werden, um damit rund 15 stecknadelkopfgroße Brennstoffpellets pro Sekunde zu zünden. Der Bedarf an Diodenlasern für ein einziges solcher Kraftwerke übersteigt die heutige Weltjahresproduktion.

LASER-Akteure wirken an vorderster Front mit

Der Nobelpreisträger Prof. Dr. Ferenc Krausz, der auf dem World of Photonics Congress sprechen wird, legt mit seiner Forschung zum Attosekunden-Imaging eine weitere Hightech-Grundlage, um Secondary Sources zur Reife zu bringen. Denn damit lassen sich bisher nicht einsehbare Prozesse im Detail beobachten: Seien es die Elektronenbewegungen im Lauf von chemischen Reaktionen, biochemische Prozesse in lebenden Zellen oder auch Quantenübergänge. Im Zentrum stehen Attosekunden-kurze EUV-Pulse, gegen die selbst Prozesse im Femto-, Piko- oder Nanosekunden-Bereich wie Zeitlupe wirken.

Bei der Entwicklung von Secondary Sources wirken neben großen Marken wie ams-OSRAM, Coherent, Jenoptik, TRUMPF oder ZEISS auch viele Institute der Fraunhofer-Gesellschaft, das Ferdinand-Braun-Institut – Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik sowie zahlreiche weitere LASER-Aussteller aus dem In- und Ausland an vorderster Front mit. Darunter AFS – Active Fiber Systems aus Jena, Class 5 Photonics aus Hamburg, die französische Exosens-Gruppe, die kanadische KLA Corporation und die japanisch-deutsche USHIO Inc.

Application Panel Secondary Sources auf der LASER 2025

Das Forum „Lasers und Optics“ in der Halle A2 der Laser World of Photonics (24. – 27. Juni 2025) wird das Zukunftsfeld Secondary Sources auf einem Application Panel in den Fokus stellen. Führende Expertinnen und Experten aus der Industrie und Wissenschaft werden Einblicke in den aktuellen Status-Quo der Entwicklung geben und den Blick auf vielversprechende Zielmärkte und Anwendungen der lasergetriebenen Sekundärstrahlquellen richten.