Nützliche Edelsteine

Physiker begnügen sich nicht mit Dingen, die nur hübsch aussehen. Sie müssen auch nützlich sein. Ein Rubin wie derjenige, den der Physiker Mark Kempenaars auf diesem Bild hält, ist gut und gerne 7.000 Pfund wert. Man kann aber nicht nur Schmuck aus ihm fertigen, sondern ihn auch dafür nutzen, einen sehr kurzen, leistungsstarken Puls aus rotem Laserlicht zu erzeugen. Er ist ein Bestandteil des LIDAR-Systems von JET. Bei diesem handelt es sich um eins der 90 Diagnosesysteme, die jede Drehung und Wendung des Plasmas im Inneren des Gefäßes überprüfen.

Leider erlitt dieser Rubinstab vor einigen Jahren einen Unfall, als das Kühlsystem für den Laser leckte. „Ein Wassertropfen gelangte auf die Vorderseite des Stabes und wirkte wie eine Linse“, erklärt Kempenaars. „Es fokussierte die Laserleistung in die Mitte des Stabes und ... pfft!“

Das LIDAR-System liefert Informationen über die Temperatur und die Dichte des Plasmas. Dafür wendet es die Technik der Thomson-Streuung an. Bei dieser Technik wird ein Laserlichtimpuls in das Plasma gerichtet und das von den Plasmapartikeln zurückgestreute Licht gemessen.

„Das Problem ist, dass die Effizienz der Thomson-Streuung sehr gering ist“, so Kempenaars. „Für etwa 1.014 Photonen, die wir einsenden, erhalten wir nur ein einziges zurück! Der Laser muss also eine enorme Leistung haben. Diese Rubinlaser geben 3 Joule Energie ab, aber in einem sehr kurzen Impuls. Dieser ist etwa 350 Pikosekunden lang [350 Billionstelsekunden], was 3 Gigawatt entspricht – 50 Prozent mehr als unser lokales Kraftwerk in Didcot bereitstellt. Dabei bekommen wir nur 10 bis 100 Nanowatt [Milliardstel Watt] zurück.“

Das LIDAR-System ist nicht nur in der Lage, ein extrem schwaches Signal zu erkennen, sondern zeichnet sich auch durch einen sehr kurzen Puls aus. Die beiden Rubin-Lasersysteme im JET verwenden eine Pulsverkürzungstechnik namens Modenkopplung, bei der ein vibrierender Kristall im Herzen des Lasers das Licht bis auf den kürzesten Moment blockiert. „Unser Laserpuls ist nur etwa 9 Zentimeter lang“, sagt Kempenaars. „Dies erlaubt eine räumliche Auflösung, die gut genug ist, um ein detailliertes Elektronentemperatur- und Dichteprofil zu erstellen.“

Und was wird aus dem beschädigten Rubinstab? Laut Kempenaars ist er total unbrauchbar. Noch nicht mal mehr Schmuck könne man aus ihm fertigen. „Es handelt sich hier nicht um einen natürlichen, sondern um einen im Labor hergestellten Rubinkristall. Meine Freundin mag außerdem die Farbe nicht besonders. Er ist nicht rot genug, sondern ein bisschen zu pink!“