Laser werden in den kommenden Jahrzehnten eine zentrale Rolle spielen, da die Technologie voranschreitet

Laser, kurz für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ist ein Gerät, das Licht bei bestimmten Wellenlängen aussendet und dieses Licht verstärkt, um einen sehr schmalen, sehr hellen Strahl von Strahlung zu erzeugen, der auf einen winzigen Punkt fokussiert ist. Es gibt viele Arten von Lasern, darunter Faserlaser, Gaslaser, Festkörperlaser, Farbstofflaser und Diodenlaser, die alle einen grundlegenden Satz von Komponenten gemeinsam haben.

Heute sind Laser ein Schlüsselbestandteil vieler Produkte, die wir täglich verwenden, von Konsumgütern wie Blu‑Ray, CDs, DVD‑Playern und Strichcode‑Scannern bis hin zu Laserdruckern und LASIK‑Augenchirurgie. Sie werden zudem zum Messen, Schneiden, Gravieren, Bohren und Markieren einer breiten Palette von Materialien eingesetzt.

Der erste Laser wurde 1960 entwickelt, basierend auf Albert Einsteins Arbeit zur stimulierten Emission, für die er 1921 den Nobelpreis erhielt. Seitdem ist der globale Lasertechnologiemarkt erheblich gewachsen und wird voraussichtlich bis 2027 einen Wert von 25,6 Milliarden US‑Dollar erreichen.

Anwendung der Lasertechnologie

Laser hat sich als äußerst praktisches Werkzeug erwiesen, da es monochromatisches, kontrolliertes und präzise gerichtetes Licht liefert. Viele seiner wichtigen modernen Anwendungen liegen in der faseroptischen Kommunikation, der Lasermaterialbearbeitung und -fertigung, der Spurenelementdetektion, der Lasermetrologie und der medizinischen Bildgebung. 

Obwohl die Wissenschaft des Lichts selbst sich nicht geändert hat, hat sich die Lasertechnologie im Laufe der Jahre rasant weiterentwickelt. So wurden, obwohl sie vor Jahrzehnten erfunden wurde, durch den technologischen Fortschritt Laser endlich in die Rolle gebracht, die wir uns immer für sie vorgestellt haben. 

Nun werfen wir einen Blick auf die neuesten Fortschritte und alles, was durch diese Technologie in verschiedenen Branchen möglich wird!

Kommunikation 

Durch die Ermöglichung der Schaffung sicherer Netzwerke, die enorme Datenmengen mit hoher Geschwindigkeit, größerer Effizienz und verbesserter Sicherheit übertragen können, wird die Lasertechnologie zu einem Wendepunkt in der Satellitenkommunikation. Infolgedessen wird erwartet, dass der globale marktbasierte Laserkommunikationsmarkt bis 2031 vervierfacht, laut Straits Research.

In diesem Bereich bietet Laser ein breites Spektrum an Anwendungen wie Inter‑Satelliten‑Kommunikation und Satellit‑zu‑Boden‑Konnektivität. Und da die Anzahl der umlaufenden Satelliten weiter zunimmt, werden weltraumbasierte Laserkommunikationen in Satellitenkommunikationssystemen noch kritischer.

Kürzlich führte die NASA den ersten erfolgreichen Test ihres Deep Space Optical Communications (DSOC)-Systems durch, einer nächsten Generation von Kommunikationsverbindungen, die Informationen per Laserlicht senden. Im Rahmen einer Reihe von Tests, die die NASA durchführt, um die Kommunikation im tiefen Weltraum zu beschleunigen, war dies die bislang entfernteste Laserkommunikation. Bei Erfolg erwarten NASA‑Beamte, dass Astronauten in den kommenden Jahrzehnten sie als Mittel zur Kommunikation mit der Bodenstation nutzen werden.

Trotz der vielen Herausforderungen, denen die Laserkommunikation insbesondere in Bezug auf die Atmosphäre gegenübersteht, werden innovative Techniken wie adaptive Optik, Strahllenkung und Fehlerkorrekturalgorithmen erforscht, um diese Effekte zu mindern, was die praktische Umsetzung von Laserkommunikation voranbringen wird. 

Auch wenn der Weltraum die typische Anwendung von Laserkommunikation gesehen hat, finden Forschung, Entwicklung und Investitionen statt, um die praktische Nutzung von Laserkommunikation zu erhöhen. Die Erhöhung ihrer Bandbreite und der Betrieb unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen wird die Implementierung von Laserkommunikation in Verteidigungs-, zivilen, kommerziellen und landwirtschaftlichen Märkten ausweiten.

In der internationalen Gemeinschaft laufen ebenfalls Standardisierungsbemühungen, um Interoperabilität und weit verbreitete Akzeptanz von Laserkommunikationssystemen sicherzustellen. 

Verteidigung

Die Militärindustrie konzentriert sich auf die Entwicklung von Laserwaffen wegen ihrer einfachen Handhabung, Präzision und dem Fehlen von Kollateralschäden. Darüber hinaus hat die weit verbreitete Anschaffung tödlicher Drohnen durch Militärs weltweit die Fähigkeiten von Laserwaffen zu einem zentralen Fokus aller Streitkräfte gemacht.

Im vergangenen Jahr gab es Spekulationen, dass Russland das erste Land war, das Laserwaffen einsetzte, die Persevet und Zadira, im Kampf, um feindliche Drohnen abzubrennen. Die USA haben ebenfalls Fortschritte bei laserbasierter Luftverteidigung gemacht. 

Und Anfang dieses Jahres erreichte das taktische Laserwaffensystem DEIMOS von Lockheed Martin den Meilenstein des „first light“. Das US‑Unternehmen ist zudem Teil des israelischen, ersten seiner Art, laserbasierten Iron Beam‑Luftverteidigungssystems, das feindliche Flugzeuge, Raketen, UAVs und Mörser abschießen kann, indem es Laserstrahlen darauf richtet. 

Da Lasersysteme an Bedeutung gewinnen, haben Wissenschaftler zudem einen neuen Weg gefunden, die Leistung von Faserlasern erheblich zu steigern, während die Strahlqualität erhalten bleibt, was sie zu einer zukünftigen Schlüsselverteidigungstechnologie gegen kostengünstige Drohnen macht. 

Dieser Durchbruch beinhaltet die potenzielle Nutzung von Multimode‑Glasfasern, um die Ausgangsleistung von Faserlasern um das 3‑ bis 9‑fache zu erhöhen, ohne die Strahlqualität zu verschlechtern. Durch diese Erreichung können diese Laser effektiv auf entfernte Ziele fokussieren, was zu einer extrem hohen Leistungsabgabe führt. Diese erhöhte Leistungsabgabe steigert den Nutzen von Faserlasern und macht sie für die Verteidigungsindustrie noch wertvoller.

Eine weitere Militärmacht, China, hat ebenfalls bedeutende Fortschritte bei Laserwaffen gemacht, und vor einigen Monaten behaupteten chinesische Militärwissenschaftler, sie hätten ein neues Kühlsystem entwickelt, das Hochenergie‑Laser „unendlich“ betreiben lässt, ohne dass sich Abwärme ansammelt – ein großes technisches Problem bei der Entwicklung von Laserwaffen. 

Damit können Waffen nun Laserstrahlen so lange erzeugen, wie sie wollen, ohne Unterbrechung oder Leistungsabfall. Das neue System, das fortschrittliche Strukturen nutzt, hat das Potenzial, das Verteidigungsfeld erheblich zu verändern, indem es Reichweite und Schaden erhöht, Einsatzzeiten verlängert und Kosten senkt.

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Gesundheit

Abgesehen von der Verteidigung wird Lasertechnologie auch im Gesundheitswesen aufgrund ihrer hohen Genauigkeit, Produktivität, Nachhaltigkeit und Anpassungsfähigkeit umfassend eingesetzt. In diesem Sektor wird die Technologie genutzt, um neue Prothesen und Werkzeuge für medizinische Anwendungen zu entwickeln, während Hersteller von Medizintechnik Lasern verwenden, um neue medizinische Geräte bequem zu entwerfen und zu entwickeln. 

Der Einsatz von Lasern reduziert den Personal‑ und andere Kosten in der Fertigung. Er kann zudem gefälschte Produkte in Kliniken und Krankenhäusern identifizieren. Darüber hinaus können Chirurgen komplexe chirurgische Eingriffe leicht mit Lasern durchführen.

Von der Ophthalmologie, Zahnmedizin und Dermatologie bis hin zur Urologie wird Lasertechnologie im Gesundheitswesen zunehmend eingesetzt, wobei Erkrankungen wie Herzkrankheiten, Glaukom, Tumore, Krebs, Krampfadern, Prostataprobleme, Knieverletzungen und Nierensteine damit behandelt werden. Laserbasierte Ultraschallsysteme liefern gleichzeitig Bilder von inneren Körpermerkmalen und haben das Potenzial, Krankheitsstadien im Laufe der Zeit zu verfolgen.

Zusätzlich wird Lasertechnologie für nichtinvasive medizinische Behandlungen wie selektive Lasertrabekuloplastik, photodynamische Therapie, Tattoo‑Entfernung, Hautverjüngung, Low‑Level‑Lasertherapie und Haarentfernung eingesetzt. Besonders die Low‑Level‑Lasertherapie (LLLT) zeichnet sich in der Zahnmedizin durch ein deutliches Sicherheits‑ und Patientenkomfort‑Vorteil aus und verzichtet auf pharmazeutische Interventionen.

Darüber hinaus hat sich die Lasertherapie seit der ersten FDA‑Zulassung für eine therapeutische Anwendung beim Menschen vor über zwei Jahrzehnten stark weiterentwickelt und wird prominent für Schmerzlinderung, Geweberegeneration und die Förderung allgemeinen Wohlbefindens eingesetzt.

Außerdem werden Laser eingesetzt, um zu verhindern, dass Mücken Menschen stechen und Krankheiten verbreiten. Produkte wie das Photonic Fence Monitoring Device (PFMD) überwachen fliegende Insekten und eliminieren identifizierte Ziele, indem sie sie mit einem Mikropuls von Laserenergie abschießen. Die erste Anwendung von PFMD testet das Design und die Wirksamkeit von Maßnahmen zur Vektorkontrolle gegen schädliche Insekteninvasionen in den Bereichen Landwirtschaft, Gastgewerbe, Regierung, Militär und private Schädlingsbekämpfung.

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Analyse und Experimentierung 

Lasertechnologie spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen Bereichen der Analyse und Experimentierung dank ihrer einzigartigen Eigenschaften, Präzision und Vielseitigkeit. 

In der Atom- und Molekülphysik nutzen Forscher und Wissenschaftler Laser, um Atome bei extrem niedrigen Temperaturen zu verlangsamen und zu fangen. Neben der Kontrolle von Quantenzuständen hilft die einstellbare Lichtquelle bei der Untersuchung von Energieniveaus und Übergängen in Atomen und Molekülen.

Die Laserabkühlung, die vor 40 Jahren erstmals demonstriert wurde und die Atomphysik revolutionierte, wird heute in Studien zu Quanteninformation, quantendegenerierten Gasen, Atomuhr und Tests der fundamentalen Physik eingesetzt und nun auch auf Antimaterie angewendet. Die Möglichkeit, die Bewegung von Antimaterie‑Atomen mittels Laserlicht zu manipulieren, verspricht bahnbrechende Möglichkeiten für zukünftige Experimente, wie anti‑atomare Fontänen und die Erzeugung von Antimaterie‑Molekülen.

Im Jahr 2021 gelang es der ALPHA‑Kollaboration am CERN, Antiwasserstoff‑Atome, die einfachste Form atomarer Antimaterie, mithilfe von Laserlicht zu kühlen, was als „Game‑Changer für spektroskopische und gravitative Messungen“ angesehen wird.

Inzwischen wird auch an Teilchenbeschleunigung auf Basis von Laser‑Plasma‑Wechselwirkungen geforscht, um das Universum zu verstehen. Neben dem Verständnis der Evolution allen Lebens durch chemische Reaktionen hilft diese Technologie auch bei der Krebsbehandlung, wo sie eine Alternative zur konventionellen Röntgen‑Strahlentherapie bieten könnte. Die auf Laser‑Plasma‑Wechselwirkung basierende Teilchenbeschleunigung ermöglicht sehr hohe Energien über sehr kurze Distanzen, was potenziell zu erheblichen Gewichts‑ und Volumen­einsparungen führen kann.

Lasertechnologie wird zudem zur Herstellung von Nanomaterialien mit spezifischen chemischen und physikalischen Eigenschaften eingesetzt; mehrere laserbasierte Prozesse wurden für die Nanomaterialherstellung entwickelt, wie laserunterstützte Reduktion, Laser‑Exfoliation und Laser‑Abtragung.

Saubere Energie / Kernfusion

Das anhaltende Wachstum erneuerbarer Energien weltweit eröffnet zunehmende Möglichkeiten für Laserverarbeitungstechniken. In der Saubere‑Energie‑Industrie wird Lasertechnologie bei der Herstellung neuer Geräte zur Energieerzeugung sowie beim Rückbau von Kraftwerken am Ende ihrer Lebensdauer eingesetzt.

Zusätzlich zur Fertigung können Laser beim Aufschweißen, auch als Laser‑Metallabscheidung bekannt, eingesetzt werden, um die Eigenschaften der behandelten Oberflächen zu verbessern. Mikro‑Gasturbinen‑Komponenten können wiederum von der Reinigung mittels Faserlaser profitieren.

Im Bereich der Solarenergie zeigen lasergefeuerte Kontakte vielversprechende Ansätze zur Steigerung der Effizienz von Solarzellen und werden beim Schneiden und Markieren von Halbleiterwafern sowie beim Trennen der elektrischen Schaltkreise der einzelnen Zellen großer Solarmodule verwendet.

In Zukunft könnten Laser zur Herstellung einer neuen Generation von Solarmodulen sowie zur Produktion von Batterien für die Speicherung von aus erneuerbaren Quellen erzeugter Energie eingesetzt werden.

Lasertechnologie wird zudem in der Kernfusion gesehen. Vor einem Jahr kündigte der US‑Energieminister einen Durchbruch in der laserbasierten Kernfusion an, bei dem ein Forschungslabor eine winzige Sonne auf der Erde erzeugte. Die in diesem Experiment verwendete Lichtquelle war der größte Laser der Welt, der 192 Strahlengänge nutzte, um Pulse zu erzeugen. Die Laserstrahlen erzeugten 54 % mehr Energie, als in sie investiert wurde.

In diesem Jahr zerquetschten die 192 Laser eine winzige Kapsel, gefüllt mit Deuterium und Tritium, schweren Wasserstoffisotopen, und lösten eine Fusionsreaktion aus, die mehr Energie produzierte, als die Laserstrahlen während des Prozesses auf das Ziel gerichtet hatten.

Laut Michael Campbell, ehemaliger Direktor des Laser‑Fusionslabors an der University of Rochester, der jetzt an der University of California tätig ist:

“„In den nächsten Jahren sind Erträge von 5 bis 10 MJ sehr wahrscheinlich.“”

Aber natürlich benötigen wir dafür Hochenergie‑ und hochdurchschnitts‑Leistungs‑Pulslaser, die als austauschbare Module gebaut werden, was zu vielen neuen industriellen Anwendungen führen wird.

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Unternehmen, die sich auf Lasertechnologie konzentrieren 

Nun werfen wir einen Blick auf prominente Unternehmen, die Laser‑ oder laserbasierte Technologie entwickeln:

#1. Lockheed Martin Corporation (LMT)

Das führende Verteidigungs‑ und Luft‑ und Raumfahrtunternehmen, das auch in der Kernfusionsforschung tätig ist, hat eine Marktkapitalisierung von 111,74 Mrd. $ und einen Umsatz der letzten 12 Monate (TTM) von 67,68 Mrd. $.

Der Handel erfolgt bei 450,4 $, Lockheeds Aktienkurs ist in diesem Jahr um 7,42 % gesunken, während er eine Dividendenrendite von 2,80 % bietet. Das EPS (TTM) des Unternehmens beträgt 27,38 und das KGV (TTM) liegt bei 16,45.

Im vergangenen Jahr lieferte Lockheed ein Hochenergie‑Laserwaffensystem an das US‑Verteidigungsministerium, und in diesem Jahr hat die US‑Armee dem Unternehmen erneut einen Auftrag erteilt, einen Prototyp für ein Laser‑Schutzsystem gegen indirektes Feuer zu entwickeln.

#2. Coherent, Inc. (COHR)

Ein führender Hersteller von Lasersystemen für verschiedene Anwendungen, darunter Kommunikation, Materialbearbeitung und Medizin, Coherent Corp. hat eine Marktkapitalisierung von 5,45 Mrd. $.

Zum Zeitpunkt der Erstellung werden die Aktien bei 36,02 $ gehandelt, ein Anstieg von 2,62 % im laufenden Jahr (YTD). In den letzten 12 aufeinanderfolgenden Monaten meldete Coherent einen Umsatz von 4,869 Mrd. $ und hatte ein EPS (TTM) von -3,01 sowie ein KGV (TTM) von -11,96.

#3. IPG Photonics Corporation (IPGP)

Das Unternehmen produziert Laserlösungen, die in der Materialbearbeitung, Medizin und fortgeschrittenen Anwendungen eingesetzt werden. Vor einigen Monaten brachte IPG Photonics einen Dual‑Beam‑Laser mit der „höchsten“ Single‑Mode‑Kernleistung auf den Markt.

Auch in der Forschung zu sauberer Energie engagiert, werden die Aktien von IPG Photonics bei 95,62 $ gehandelt, wobei der Umsatz (TTM) bei 1,32 Mrd. $ liegt. Das Unternehmen hat ein EPS (TTM) von 1,82 und ein KGV (TTM) von 52,40.

#4. Northrop Grumman Corporation (NOC)

Northrop Grumman ist ein globales Luft‑ und Raumfahrt‑ und Verteidigungsunternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 70,8 Mrd. $. Es ist zudem an der Entwicklung von Lasersystemen für Verteidigungsanwendungen beteiligt.

Im Oktober 2023 vergab die Space Development Agency des Pentagon einen Auftrag über 732 Mio. $, an Northrop Grumman, um 38 „Daten‑Transport“-Satelliten im Rahmen der Proliferated Warfighter Space Architecture zu bauen, die die Agentur entwickelt.

Derzeit werden die Aktien von Northrop Grumman bei 469,58 $ gehandelt, ein Rückgang von 13,9 % im laufenden Jahr (YTD). Das Unternehmen hat einen Umsatz (TTM) von 38,685 Mrd. $ und bietet eine Dividendenrendite von 1,59 %.

#5. Thermo Fisher Scientific Inc. (TMO) 

Das Unternehmen liefert analytische Instrumente, darunter solche, die auf Lasertechnologie basieren, sowie Verbrauchsmaterialien, die in der medizinischen Forschung, bei der Diagnose von Krankheiten und bei der Entdeckung und Produktion neuer Medikamente verwendet werden.

Der Aktienkurs von Thermo Fisher ist in diesem Jahr um 11,47 % gesunken und liegt nun bei 487,53 $. Das Unternehmen hat eine Marktkapitalisierung von 188,36 Mrd. $, erzielte einen Umsatz (TTM) von 43,421 Mrd. $ und zahlt eine Dividendenrendite von 0,29 %, während das EPS (TTM) 15,27 beträgt und das KGV (TTM) bei 31,93 liegt.

Fazit

Wie wir gesehen haben, besitzt die Lasertechnologie ein enormes Potenzial und findet in verschiedenen Bereichen Anwendung. Während Laser bereits die menschlichen Fähigkeiten erweitern, werden die Fortschritte durch fortlaufende Forschung und Weiterentwicklung die Technologie weiterentwickeln und noch leistungsfähiger machen. Von Medizin, Sensoren, Energie und Elektrofahrzeugen bis hin zur Digitalisierung und Quantenwelt ist die Lasertechnologie bereit, weite Bereiche unseres Lebens zu transformieren.

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