HEUTE NOCH FORSCHUNG, BALD SCHON ALLTAG? LASER COMPONENTS BAUT SPIEGEL FÜR DIE STÄRKSTEN LASER DER WELT. MIT BILLIARDEN VON WATT ERZEUGEN SIE RÖNTGENSTRAHLUNG, DIE KREBS SICHTBAR MACHT – FRÜHER ALS JE ZUVOR.
Neues Diagnoseverfahren wird Leben retten
Um Krebszellen noch früher zu erkennen, erforschen Wissenschaftler des CALA-Teams neue Wege in der medizinischen Bildgebung. Sie nutzen dazu ATLAS-3000, einen der stärksten Laser der Welt: Seine ultrakurzen Pulse erzeugen extrem energiereiches Röntgenlicht – vergleichbar mit der Intensität von Synchrotron-Strahlung. Bis er zu einem kleinen Punkt gebündelt wird, durchläuft der Laserstrahl einen Irrgarten aus hunderten von Laseroptiken – darunter auch Spiegel von LASER COMPONENTS.
Krebs ist weiterhin eine der häufigsten Todesursachen. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation WHO starben allein im Jahr 2018 weltweit rund 9,6 Millionen Menschen an dieser Krankheit. Jeder kennt in seinem persönlichen Umfeld jemanden, der damit konfrontiert wurde. Der Kampf gegen den Krebs ist daher schon lange ein wichtiges Gebiet der medizinischen Forschung. Dabei kommt der Früherkennung eine entscheidende Rolle zu, denn je eher ein potenzieller Tumor entdeckt wird, umso größer ist die Chance, ihn erfolgreich zu bekämpfen.
Laser sagen Tumoren den Kampf an
In der Therapie leisten Laser schon heute wichtige Dienste – vor allem, wenn es darum geht, krankhaftes Gewebe zu entfernen. Laserskalpelle können erheblich genauere Schnitte setzen als ihre mechanischen Artgenossen. Besonders nützlich sind die gebündelten Lichtstrahlen jedoch bei der mikroinvasiven Arbeit im Körperinneren. So werden sie zum Beispiel eingesetzt, um einzelne Zellschichten im wahrsten Sinne des Wortes zu verdampfen.
Bei der Erkennung von Tumoren sind lasergestützte Methoden noch wenig etabliert. Es ist zwar möglich, mithilfe der Raman-Spektroskopie gesundes von entartetem Gewebe zu unterscheiden. Eine Diagnose am Patienten würde aber mehrere Stunden dauern und das kann man niemandem zumuten. Forscher sind derzeit dabei, dieses Verfahren zu beschleunigen und haben auch schon große Fortschritte erzielt. Es wird aber noch dauern, bis die Technologie reif für den Krankenhausalltag ist.
Billiarden Watt für die Forschung
An einem ganz anderen Verfahren arbeiten Wissenschaftler des Centre of Advanced Laser Applications (CALA) in Garching bei München: Sie wollen Röntgenstrahlung mit einem Energieniveau erzeugen, für das man normalerweise einen Teilchenbeschleuniger benötigen würde. Mit diesen Strahlen können kleinste Details sichtbar gemacht werden – auch Krebszellen in einem besonders frühen Stadium. Als Energiequelle nutzen sie den Hochenergielaser ATLAS-3000 (Advanced Ti:Sapphire Laser 3000 Terawatt). Für wenige Billiardstel Sekunden erzeugt der einen Laserstrahl mit einer Energie von rund 60 J. Das erscheint auf den ersten Blick nicht viel, doch weil diese Energie in so extrem kurzer Zeit freigesetzt wird, erreicht ATLAS eine Leistung von einigen Billiarden Watt. In einer Vakuum-Umgebung wird dieser Strahl von mehr als hundert Spiegeln und Linsen auf einen kleinen Punkt fokussiert. LASER COMPONENTS ist einer der wenigen Hersteller für Laseroptiken, die den hohen Ansprüchen solcher Projekte genügen.
Die Sonne auf der Stecknadel
»Stellen Sie sich vor, man würde die gesamte Sonnenenergie, die zu einem bestimmten Zeitpunkt die Erdoberfläche erreicht, auf der Spitze einer Stecknadel bündeln. Jetzt haben Sie in etwa eine Ahnung davon, was unsere Laseroptiken aushalten müssen«, erklärt Barbara Herdt, Leiterin des Geschäftsbereichs Laseroptiken.
Die Leiterin der Prozessentwicklung, Dr. Sina Malobabic und ihr Team standen bei den Spiegeln für das ATLAS-Projekt gleich vor mehreren Herausforderungen: Da war zunächst einmal der große Durchmesser des Laserstrahls. Das erfordert eine Optik von 200 mm bis 300 mm. Für Laseroptiken ist das sehr groß und absolut ebene Substrate mit solchen Maßen sind rar.
Experten für lange Haltbarkeit
Eine zweite Herausforderung war die Laserzerstörschwelle. »Um den Laserstrahl optimal zu lenken, werden die Substrate mit einer dielektrischen Schicht versehen, doch auch die besten Schichtdesigns halten nicht ewig«, sagt Dr. Malobabic. »Bei Ultrakurzpulslasern wie ATLAS-3000 werden sie vor allem durch nichtlineare, elektronische Effekte wie die sogenannte Multiphotonenionisation zerstört. Das passiert, wenn Moleküle gleichzeitig mehrere Photonen absorbieren und so ein Teil der absorbierten Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Unsere Aufgabe ist es, Beschichtungen zu entwickeln, die dieser besonderen Beanspruchung möglichst lange standhalten.«
Neue Maschine für mehr Homogenität
»Mit der Größe des Substrats steigen die Herausforderungen beim Beschichtungsprozess. Für den ersten Petawattlaser-Auftrag haben wir tatsächlich eine neue Maschine mit einer ionengestützten Technologie angeschafft, die genau nach unseren Anforderungen eingerichtet wurde«, berichtet Produktionsleiter Christian Grunert. »Dabei ist es besonders wichtig, dass das Beschichtungsmaterial auf der gesamten Oberfläche gleichmäßig aufgetragen wird, denn der Bedampfungsstrahl ist üblicherweise in der Mitte stärker als an den Rändern. Um das auszugleichen, benutzt man bei der Massenbeschichtung von kleineren Optiken oft halbkugelförmige Substrathalter. Die Optiken an den Rändern sind dann näher an der Materialquelle als die im Zentrum, sodass am Ende alle die gleiche Menge Dampf abbekommen. Bei großen planen Oberflächen geht das natürlich nicht. Da braucht man dann eine spezielle Anlage.«
Sechs Monate für einen Spiegel
»Um all die Anforderungen für die Ultrakurzpulslaser zu erfüllen, mussten wir einiges investieren «, erzählt Barbara Herdt. »Unser Kunde hat aber stets darauf vertraut, dass wir am Ende die perfekte Optik abliefern. Auch jetzt – einige Jahre später – sind diese Spiegel immer noch eine Herausforderung für alle Beteiligten. Allein für Entwicklung und Abstimmung kann man schon einmal sechs Monate veranschlagen. Bis wir das fertige Produkt ausliefern, geht auch mal ein Jahr ins Land.«
Teilchenbeschleuniger im Miniaturformat
Das CALA verwendet unsere Optiken, um den Strahl des ATLAS-3000 zum Einsatzort zu lenken. Gebündelt wird der Strahl erst ganz am Ende, denn sonst würden die teuren Umlenkspiegel zu stark beansprucht. Schließlich lassen die Forscher mehrere Billiarden Watt auf verschiedene Teilchen los. Der Laser wirkt dann wie die Miniaturausgabe eines Teilchenbeschleunigers. Je nachdem, auf welche Teilchen er trifft, können die Wissenschaftler unterschiedliche Effekte hervorrufen: Hochenergetische Elektronen erzeugen Röntgenstrahlung mit einer nie dagewesenen Brillanz, die für das bildgebende Verfahren genutzt wird. So erzielt man eine hohe Bildauflösung, die eine detaillierte Diagnose des Weichgewebes ermöglicht. Mit beschleunigten Ionen ließen sich neue, finanzierbare Therapieformen schaffen. Laserinduzierte Ionenstrahlen könnten beispielsweise gezielt zur Abtötung von Tumoren verwendet werden. Bisher scheiterten solche Projekte an der Energiemenge, doch mit dem Hochleistungslaser steht eine neue, erheblich stärkere Quelle zur Verfügung.
Früher nicht mal im Traum möglich
Als bei LASER COMPONENTS 1986 die ersten Optiken beschichtet wurden, war an Petawattlaser und Hochleistungsspiegel noch nicht zu denken. Der Siegeszug der Lasertechnologie hat inzwischen die Welt verändert – und mit ihr das Unternehmen. »Es gibt kaum einen Lebensbereich, in dem nicht irgendwo ein Laser verwendet wird«, fasst Geschäftsführer Patrick Paul zusammen. »Entsprechend viele verschiedene Lasertypen gibt es heute und jeder davon stellt wieder andere Anforderungen an die Komponenten. Deshalb haben wir inzwischen zahlreiche unterschiedliche Technologien im Haus. Mit diesem Equipment erarbeiten wir in enger Abstimmung mit dem Kunden die optimale Lösung für seine Anwendung. Das macht unsere Arbeit auch nach vierzig Jahren immer noch so spannend und abwechslungsreich wie in den Kindertagen von LASER COMPONENTS.«
Krebserkennung mit Terawattlasern ist heute noch Zukunftsmusik; doch schon jetzt begegnen Ihnen unsere Produkte jeden Tag im Krankenhaus.
»UM AM BALL ZU BLEIBEN, ENGAGIEREN WIR UNS IM NORMENAUSSCHUSS UND NEHMEN REGELMÄSSIG AM WELTWEITEN WETTBEWERB ZU ZERSTÖRSCHWELLEN TEIL.«
DR. LARS MECHOLD / Technischer Leiter LASER COMPONENTS Germany
Hier laufen die Fäden zusammen: Als Technischer Leiter koordiniert Dr. Mechold alle Entwicklungsprojekte und Produktionsabläufe bei LASER COMPONENTS Germany.
