Mit Lasern die Wettervorhersage verbessern

TU-Wissenschaftler stellen Forschungsergebnisse bei Physiker-Jahrestagung vor

Versuchsaufbau mit Farbstoff-Lasersystem. Es wird unter anderem genutzt, um chemische Prozesse bei der Photosynthese anzuschauen Foto: TU Berlin/Wolkenstein

Auch Physiker der TU Berlin präsentieren ihre Arbeiten Anfang März diesen Jahres bei der Jahrestagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Schwerpunkt bei vielen Forschungsprojekten sind die weit reichenden Möglichkeiten des Lasers.

Wissenschaftler um Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Eichler vom Optischen Institut werden über die Entwicklung neuer Festkörperlaser für die Umweltphysik berichten. Diese sollen künftig auf Satelliten eingesetzt werden, um erdumspannend die Verteilung von Wasserdampf in der Atmosphäre zu messen. Nur etwa zehn Prozent des Wasserdampfes sind in den Wolken lokalisiert. Genaue Kenntnis darüber, wie die restlichen 90 Prozent verteilt sind, soll ein besseres Verständnis der Atmosphäre ermöglichen und könnte auch die Zuverlässigkeit von Wettervorhersagen steigern. Genaue Messungen ermöglicht die LIDAR-Technik (Light Detection and Ranging), die die Zusammensetzung der Atmosphäre anhand der Intensität reflektierter Laserstrahlen ermittelt. Allerdings benötigt man dazu Laserlicht der richtigen Frequenz, mit ausreichender Intensität. Die TU-Wissenschaftler haben drei verschiedene Lasertypen - Titan-Saphir-Laser, Mixed-Garnet-Laser und Ramanlaser - weiterentwickelt, um diese Bedingungen möglichst gut zu erfüllen.

Mit Lasern ganz anderer Art beschäftigt sich die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dieter Bimberg vom Institut für Festkörperphysik. Hier geht es darum, Laser-, aber auch "normales" Licht in Halbleiterschichten zu erzeugen, die nur wenige Atomlagen dick sind und von deren Material und Dicke die Frequenz des Lichts abhängt. Solche Laserdioden und LEDs (Light emitting diodes) dürften künftig, nicht zuletzt aufgrund hoher Lebensdauer und geringen Energieverbrauchs, große Teile der Beleuchtungsindustrie und die Fernsehtechnik revolutionieren. Die Herausforderung besteht darin, Halbleiterschichten so herzustellen, dass Laserdioden und LEDs für möglichst alle drei Grundfarben des Lichts (Rot, Grün und Blau) mit hoher Effizienz und Lebensdauer gebaut werden können. Wissenschaftler aus aller Welt setzen dabei auf Galliumnitrid. Durch Beimischung unterschiedlicher Mengen von Indium soll es gelingen, dieses Material im ganzen sichtbaren Spektrum zum Leuchten zu bringen. Noch ungelöst ist die Frage eines Substratmaterials, auf dem die Galliumnitridschichten möglichst gut wachsen. TU-Wissenschaftler werden über ihre Arbeiten mit strukturierten Siliziumoberflächen berichten. Anders als heute verwendete Substrate sind diese elektrisch leitend und würden eine Weiterverwendung der bereits perfekt beherrschten Siliziumtechnologie ermöglichen.

Auch in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Thomas Möller vom Institut für Atomare Physik und Fachdidaktik spielt ein Laser eine wichtige Rolle, der "Freie-Elektronen-Laser" (FEL) bei DESY in Hamburg. Eine Pilotanlage, die kürzlich in Betrieb genommen wurde, liefert extrem kurze und intensive Lichtblitze im Bereich weicher Röntgenstrahlung. Die Dauer der Lichtblitze entspricht etwa der Zeit, in der chemische Reaktionen ablaufen und Atome sich bewegen, und eignet sich deshalb zur direkten Untersuchung chemischer Bindungen. Aufgrund der hohen Intensität und der Wellenlänge könnten Röntgen-FEL auch erstmals unmittelbare Strukturuntersuchungen an einzelnen, isolierten Biomolekülen, etwa Proteinen, ermöglichen. Fachleute erhoffen sich davon neue Erkenntnisse über die Funktion solcher Verbindungen. Um aus den experimentellen Daten die Struktur der Moleküle bestimmen zu können, muss jedoch grundsätzlich geklärt werden, welche Wechselwirkungen zwischen Materie und dem extrem intensiven Röntgenlicht ablaufen. Die Arbeiten von Möllers Team zeigen, dass sich das Verhalten von Clustern - speziellen großen, anorganischen Molekülen - im FEL-Licht im Bereich weicher Röntgenstrahlung deutlich von dem bei weniger intensiver Bestrahlung unterscheidet. Diese Experimente sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Verständnis der Prozesse, die bei der Strukturuntersuchung von biologisch relevanten Molekülen mit intensiven Röntgenpulsen ablaufen.

Ursula Resch-Esser

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