Laser Deluxe

Die Lasersysteme, die im Erdgeschoss des Forschungszentrums ELI Beamlines stehen, sind in vielerlei Hinsicht außergewöhnlich. Mit ultrahohen Spitzenleistungen von bis zu 10 Petawatt ermöglichen die Laserstrahlen völlig neue Forschungsanwendungen. Das 2010 ins Leben gerufene Forschungszentrum macht seinem Namen also alle Ehre, schließlich steht der Name ELI kurz für „Extreme Light Infrastructure“. Bei ELI handelt es sich um eine großangelegte Forschungsinitiative der EU, die neben dem Prager Institut auch noch Forschungseinrichtungen in Rumänien (ELI Nuclear Physics) und Ungarn (ELI Attosecond) umfasst. Lukas Brabec, einer der Ingenieure, die von Beginn an bei ELI Beamlines mit dabei waren, erklärt stolz: „Wir haben hier in Dolni Brezany, einem kleinen Dorf in der Nähe von Prag, alles komplett neu aufgebaut, von den Verwaltungsgebäuden über Forschungslabore bis hin zu den komplexen Laserinstallationen. Das Laser-Gebäude wurde offiziell in 2016 eröffnet. Wir haben vier Lasersysteme mit unterschiedlichen Eigenschaften und sechs Experimentierhallen.“ Heute nutzen die 150 ELI-Beamlines-Forscher sowie zunehmend externe Forscherteams die hochmodernen ELI-Gerätschaften für Pionierforschung in den Bereichen Biologie, Medizin, Physik, Chemie, Werkstofftechnik, Weltraumforschung und Nanotechnologie. „Von den grundlegenden Prinzipien der Protonentherapie bis zu den Möglichkeiten der Inaktivierung von Atommüll ist wirklich alles mit dabei“, freut sich Lukas Brabec.

Das absolute Prunkstück der Laserinfrastruktur bei ELI Beamlines ist das L4-Lasersystem ATON mit seiner beispiellosen Spitzenleistung von 10 PW bei einer Pulsdauer von gerade mal 150 fs. Die L4-ATON-Laserpulse werden in die verschiedenen Experimentierhallen geleitet, wo sie z.B. für die Erforschung von thermonuklearen Fusionsreaktionen oder zur Teilchenbeschleunigung verwendet werden. Die CPA-basierte Systemarchitektur des L4-ATON-Lasers enthält mehrere Stufen der optischen parametrischen Verstärkung, gefolgt von einer direkten Verstärkung in zwei verschiedenen, mit Nd-dotierten Laserscheiben versehenen Einheiten, wobei die Scheiben auf raffinierte Weise flüssigkeitsgekühlt werden. Lukas Brabecs Augen beginnen zu funkeln, wenn er von diesem großartigen System erzählt: „Wir können das ATON-System mit einer Wiederholrate von bis zu einem Schuss pro Minute betreiben, das heißt mehr als eine Größenordnung höher als vergleichbare Laser der Kilojoule-Klasse! Zwar haben wir noch drei weitere Lasersysteme, aber der L4-ATON-Laser ist so besonders, dass einige unserer Experimente zwingend darauf angewiesen sind, mit seinen Laserpulsen gefüttert zu werden.“

Der L4-ATON-Laser kann in zwei Hauptbetriebsarten arbeiten, einem Lang- und einem Kurzpulsbetrieb. Beim Langpulsbetrieb werden fs-Pulse von einem Breitbandoszillator in die gesamte Verstärkungskette eingespeist. Die Pulse werden dann in einem Kompressor mithilfe von dielektrischen Beugungsgittern mit großer Apertur auf ihre Maximalleistung von 10 PW zusammengestaucht. Besagter Kompressor hat es in sich: „Um die extremen Output-Parameter des L4-ATON-Lasers zu erreichen, mussten wir die größte Vakuumkompressionskammer entwickeln, die jemals in der Tschechei gebaut wurde!“, berichtet Lukas Brabec stolz. Mit einer Länge von mehr als 18 Metern, einer Breite von 3,6 m, einer Höhe von 4,5 m und einem Gewicht von sage und schreibe 55 Tonnen hat die Kammer wahrlich gigantische Ausmaße.

Auch das quadratische Austrittsprofil des L4-ATON-Laserstrahls spielt mit seiner Kantenlänge von 62,5 cm in einer eigenen Liga, entsprechend wurden beim Bau der Anlage enorm große Leitungsprofile und Ventile benötigt. Für Lukas Brabec war von Anfang an klar, dass es VAT-Ventile sein müssen: „Meiner Meinung nach gibt es in punkto Verlässlichkeit und Adaptierbarkeit keine vergleichbaren Produkte.“ Entsprechend tragen heute zahlreiche VAT-Vakuumventile der Baureihe 19 (in den Größen DN 630 und DN 1000) zu einer penibel reinen Umgebung im Inneren des ATON-Kompressors bei, so dass die dort befindlichen hochempfindlichen optischen Komponenten wirksam vor Fremdpartikeln geschützt werden.

Für die Belüftung der Experimentalkammer entschieden sich die ELI-Entwickler für VAT-Eckventile der Baureihe 29. Aufgrund der enormen Kammerausmaße reichen hier einfache Belüftungsventile nicht aus. „Bei solch großen Volumen, besteht die Gefahr massiver Druckstösse, wenn Belüftungventile mit entsprechend großen Querschnitten schlagartig geöffnet werden.“, erklärt Andreas Dostman, Key Account Manager bei VAT. Die Folgen einer solchen Druckwelle reichen von erschreckend lauten Knallgeräuschen bis hin zu möglichen Beschädigungen des Kammerinventars, von Turbulenzen im Kammerinneren ganz zu Schweigen. Die clevere Lösung für dieses Problem: Softstart-Technologie. Andreas Dostmann beschreibt den Wirkmechanismus wie folgt: „Beim 29er-Eckventil ist ein skalierbares Bypass-Ventil integriert, so dass die Belüftung kaskadenförmig vonstattengehen kann. Indem wir zuerst das kleinere Bypass-Ventil öffnen, kann der Differenzdruck so dosiert abgebaut werden, das kein Druckstoss mehr entsteht. Sobald der Druck in der Kammer auf ein vertretbares Maß angestiegen ist, öffnen wir das reguläre Ventil und die restliche Luft strömt ein.“

„Wir von Vakuum Servis bieten ELI einen schnellen First-Level-Support, schließlich sind wir direkt vor Ort und können flexibel auf alle ELI-Anfragen reagieren. Den Second-Level-Support für die technisch harten Nüsse übernehmen VAT-Experten in Haag oder auch an anderen VAT-Standorten“, beschreibt Pavel Petrvalsky die konkrete Zusammenarbeit. Ein klarer Vorteil für ELI, wie Andreas Dostman findet: „Wir kooperieren weltweit mit starken Partnern wie Vakuum Servis in dieser Weise, um unsere Expertise auf möglichst effizientem und direktem Weg zu unseren Kunden zu bringen.“ Auch Lukas Brabec empfindet diese Arbeitsteilung als sehr gelungen: „Viele alltägliche Fragen rund um die Vakuumtechnik lassen sich besser im direkten Gespräch mit Pavel klären.“

Ein weiteres Juwel im Laser-Repertoire von ELI Beamlines ist das L3-Lasersystem HAPLS (High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System). Der L3-HAPLS-Laser ist für die Erzeugung von PW-Pulsen mit einer Energie von mindestens 30 J und einer Dauer von weniger als 30 fs bei einer Wiederholungsrate von 10 Hz ausgelegt. „HAPLS wurde am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien entwickelt, wobei wir von ELI Beamlines an der Entwicklung des Pulskompressors, der Kurzpulsdiagnostik und -zeitsteuerung mitgewirkt haben“, kommentiert Lukas Brabec die Entstehungsgeschichte. Im Vergleich zu seinem „großen Bruder“ L4-ATON kommt der L3-HAPLS-Laser mit einer Strahlgröße von 214×214 mm eher bescheiden daher. Die Technik hat es aber dennoch in sich: „Wir verwenden Leitungsrohre mit einem Durchmesser von 500 mm, und auch hier kommen zahlreiche VAT-Vakuumventile wie beispielsweise Pendelvakuumventile der Baureihe 16.2 zum Einsatz, um die Kryopumpen während des Regenerierungsvorgangs von der Vakuumkammer zu isolieren“, erläutert Lukas Brabec.

Für manche Spezialanwendungen in den Biomolekular- bzw. Materialwissenschaften werden bei ELI Beamlines Ultrahochvakuumbedingungen benötigt, d.h. ein Druck von weniger als 10^-9 bar. „Unsere herkömmlichen Vakuumsysteme sind auf 10^-6 bis 10^-7 mbar ausgelegt und lassen sich entsprechend mit ISO-F-Flanschen betreiben“, erklärt Lukas Brabec, „doch für die UHV-Bedingungen verwenden wir CF-Flansche in den Versuchskammern.“ Die Turbomolekularpumpen, die letztlich das Ultrahochvakuum erzeugen, werden dabei von VAT-Isolationsventilen der Baureihe 11.1 abgeschirmt. Zwischen den Kammern kommen hingegen VAT-Pendelschieber der Baureihe 16.2 zum Einsatz. „Da sich die Sektorventile unmittelbar im Prozessgeschehen befinden, müssen sie allerhöchsten Anforderungen in Bezug auf die Partikelemission genügen“, begründet Andreas Dostmann diese Entscheidung. Zusätzlich müssen einige der Sektorventile optimal positionierte Saphirfenster aufweisen, damit bei der Einrichtung der Experimente ein Laser-Ausrichtungsstrahl verwendet werden kann. „In der Designphase hatten wir uns bezüglich all dieser Punkte intensiv mit den Kollegen von VAT ausgetauscht – und wir sind sehr zufrieden mit dem Ergebnis“, zeigt sich Lukas Brabec einmal mehr fasziniert von der breiten und dabei dennoch individuell anpassbaren VAT-Produktpalette. Die Faszination beruht dabei vollständig auf Gegenseitigkeit. So schwärmt Andreas Dostmann: „Bei ELI Beamlines werden fantastische Projekte verfolgt!“

Bei aller Euphorie: Ein bisschen müssen sich alle Beteiligten noch gedulden. Stand heute sind zwei der vier Lasersysteme vollständig fertiggestellt und verlässlich im Einsatz. „Bei L4-ATON befinden wir uns ziemlich auf der Zielgerade“, blickt Lukas Brabec optimistisch in die Zukunft, „derzeit müssen wir noch ein paar letzte Anpassungen an den Spiegel im Strahlgang des Lasers vornehmen. Die riesigen Spiegel müssen ultraglatt und hochpräzise geformt sein, entsprechend sind besonders sorgfältige Tests nötig.“ Deshalb können die ELI-Forscher den L4-ATON-Laser derzeit auch noch nicht mit seiner Maximalleistung von 10 PW betreiben. Doch sie sind guter Dinge, dass auch diese letzten Herausforderungen bald gemeistert sein werden – und dann ATON und seine drei Laser-Geschwister endlich ihre Stärken vollumfänglich ausspielen können.