Materialwissenschaft
Laser als Kerntechnologie der modernen Welt und der Zukunft
Potenzial von Lasern
Seit dem ersten Laser, der 1960 gebaut wurde, und die Wissenschaftler hinter der Physik, die es möglich machten, wurden 1964 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet, findet die Technologie immer neue Anwendungen. Laser werden üblicherweise verwendet für:
- Gravur & Druck,
- faseroptische Kommunikation,
- optische Datenträger,
- Halbleiterfertigung,
- Chirurgie,
- Gesundheitsbehandlung,
- Messungen,
- militärische Zielerfassung.
Auf dieser Basis könnte die nahe Zukunft sie sogar zu entscheidenden Elementen in Fertigungsprozessen (Schweißen, 3D‑Druck), Satelliten‑Telekommunikation, dem Antrieb von Raumschiffen, Biotechnologie, Rechnen (Photonik), Kernfusion und sogar Waffen werden sehen.
Laserprinzipien
Laser ist ein Akronym für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Der zentrale Gedanke hinter der Lasertechnologie ist, „kohärentes“ Licht statt gewöhnlichem Licht zu erzeugen.
Kohärente Lichtstrahlen erzeugen ein sehr schmales Licht bei einer einzigen Wellenlänge, das sich über lange Distanzen nicht zerstreut.
Quelle: Britannica
Der Weg, einen Laser zu erzeugen, besteht darin, die Atome des Emitters zu stimulieren, meist ein Gas, das aber auch flüssig oder fest sein kann, sodass sie Licht emittieren und das meiste dieses Lichts im Inneren des Lasers gefangen und reflektiert wird, bis es als kohärenter Lichtstrahl entweichen kann.
Quelle: University of Kwazulu-Natali
Laser können für ein breites Spektrum von Lichtwellenlängen hergestellt werden, wobei jedes Material seine eigene Lichtproduktion nutzt, was ihr Funktionsprinzip verändert. Unterschiedliche Wellenlängen tragen unterschiedliche Energiemengen und werden je nach Zielmaterial unterschiedlich absorbiert.
Zum Beispiel können im medizinischen Bereich je nach Zielsetzung viele verschiedene Laser eingesetzt werden.
Quelle: University of Kwazulu-Natali
(Leser, die an den wissenschaftlichen Prinzipien hinter Lasern interessiert sind, können „Principles of Laser“ lesen, um mehr zu erfahren).
Verbesserungen der Lasertechnologie
Im Laufe der Jahre haben sich Laser stark verbessert. Neue Materialien erweiterten die verfügbaren Wellenlängen, mit CO2, Rubin, Titan‑Saphir und Quantenpunktlasern (der Nobelpreis für Physik 2023).
Dies eröffnete die Möglichkeit für ultrakurze Puls‑Laser sowie Laser, die für spezifische Anwendungen in der Fertigung und Medizin feinabgestimmt sind.
Leistungsarme Laser wurden in den 1970er‑Jahren schnell billig genug, um in Strichcode‑Scannern integriert zu werden. Später wurden sie zum Auslesen von Daten auf CDs und anschließend DVDs und Blu‑Ray‑Discs verwendet.
Quelle: Laser Warfare
Neue Laserformen könnten ebenfalls am Horizont stehen, zum Beispiel „Open‑Air‑Laser“, die robuster und leichter sein könnten.
Laseranwendungen
Beobachtungen in infinitesimalen Zeiten
Eine der Anwendungen von ultrakurzen Laserpulsen ist es, ein Ziel sehr kurz zu „beleuchten“, im Bereich von Femtosekunden, einer Millionstel einer Milliardstel Sekunde.
Dies ermöglicht die Beobachtung von Phänomenen wie Molekül‑chemischen Reaktionen, die zuvor als sofortig angesehen wurden.
Quelle: Nobelpreis
Weitere Fortschritte öffnen sogar ein ganz neues wissenschaftliches Feld, die Attosekunden‑Wissenschaft (1/1000th einer Femtosekunde). Damit können Wissenschaftler die Elektronendynamik in Atomen und Molekülen untersuchen, und Materie im kondensierten Zustand kann sondiert werden.
Gravur & Fertigung
Laser können sehr präzise in Materialien einritzen. Das Problem war jedoch, dass bei zu langer Nutzung des Lasers das Material schnell erhitzt wird, was schädliche Stoßwellen erzeugt. Bei leistungsstarken Lasern oder Materialien, die keine Defekte zulassen, war dies ein Problem.
Verbesserte Femtosekunden‑Laser führen das Gravieren weiterhin aus, sind aber kurz genug, um nicht zu überhitzen, wodurch dieses Problem entfällt.
Quelle: Nobelpreis
Heute werden Laser routinemäßig zum Bohren, Schneiden, Markieren, Strukturieren und Schweißen von Metallen sowie von Kunststoff, Holz, Glas usw. eingesetzt.
„Viele der heute hergestellten Bauteile erfordern mikroskopische Merkmale, die nur mit Laserbohren erzeugt werden können.
Sehr kleine, komplexe Merkmale können in einer Vielzahl von Materialien mit Methoden wie Direct‑Write, Trepanieren und Masken‑Projektion erzeugt werden, ohne Wärme‑Effekte oder Materialschäden.“
Matt Nipper, Director of Engineering für Laser Light Technologies, jetzt Teil von Spectrum Plastics.
Moderne Lasermaschinen werden über fortschrittliche Software gesteuert, ähnlich wie CNC‑Maschinen. Laser‑Fertigungswerkzeuge reichen von kleinen Desktop‑Geräten, die ein paar tausend Dollar kosten, bis zu mehrmillionen‑Dollar‑großen, fabrikgroßen Maschinen.
Laser können sogar so präzise sein, dass sie jetzt zum Entfernen von Isolierung von Drähten verwendet werden.
„Isolierung kann mit einer Toleranz von 0,005 Zoll entfernt werden. Das Abziehen kann programmiert werden, um die Isolierung an jedem Punkt des Drahtes abzutragen, was hochpräzise Mittel‑Spannungs‑Entfernungen ermöglicht.“
Matt Nipper, Director of Engineering für Laser Light Technologies, jetzt Teil von Spectrum Plastics.
3D‑Druck
Viele 3D‑Drucker verwenden einen Laser, um den Kunststoff oder das Metall zu schmelzen, das das Endprodukt bildet. Dazu gehört Laser‑Bed‑Fusion, eine Technik, die durch einen ringförmigen Laserstrahl noch präziser und leistungsfähiger werden könnte.
Zwei Laser gleichzeitig könnten ebenfalls zum Standard‑Setup werden um den additiven Fertigungsprozess zu beschleunigen.
Insgesamt, da 3D‑Druck immer stärker in Fertigungsprozesse integriert wird, wie in “3D‑Druck konsolidiert sich in die Zukunft der Fertigung” diskutiert, können wir erwarten, dass die Nachfrage nach Lasern ebenso steigt.
Medizinische Anwendungen
Das intensive Licht von Lasern kann zur Erzeugung von Laser‑Plasma‑Beschleunigung genutzt werden, wodurch Teilchen wie Protonen und Elektronen auf extreme Energieniveaus beschleunigt werden. Diese können für Strahlentherapie eingesetzt werden, wobei Laser Maschinen klein genug machen, um in einem Krankenhaus zu passen, im Gegensatz zu Teilchenbeschleunigern, die viel größer und sperriger sind.
Ultraschnelle Laser werden auch für Augenchirurgie verwendet, von LASIK‑Operationen, die die Notwendigkeit von Brillen eliminiert, bis zur Photokoagulation zur Behandlung von diabetischer Retinopathie (Erkrankungen der Netzhaut).
Quelle: Nobelpreis
Laser können für Hautbehandlungen eingesetzt werden, von der Behandlung nur der oberen Schicht bis zu tieferen Blutgefäßen, abhängig von der verwendeten Wellenlänge.
Quelle: Laser Focus World
Schließlich haben Laser Anwendungen in kosmetischen Behandlungen, von Haar‑ und Tätowierungsentfernung bis zur Hautverjüngung, Entfernung von Aknenarben und pigmentierten Läsionen (z. B. Altersflecken und Muttermale).
Datenspeicherung
Laser werden seit mehreren Jahrzehnten zur Kodierung von Daten auf optischen Datenträgern verwendet. Stärkere, kürzerwellige Laser können Daten dichter speichern, daher der Wechsel zu blauen LED‑Lasern für Blu‑Ray.
Allerdings wird zunehmend klar, dass optische Datenträger keine dauerhafte Form der Datenspeicherung darstellen.
Daher werden jetzt viele Methoden mit Lasern in Betracht gezogen, wie niedrig‑leistungs Gravur auf Polymeren, andere Formen mechanischer Datenspeicherung, Diamantgravur oder 5‑D‑Kristall‑Disks.
Quelle: University of Southampton
In jedem Fall macht die Fähigkeit von Lasern, so präzise wie die Nanometer ihrer Lichtwellenlänge zu sein, sie zu einer bevorzugten Methode der Datenaufzeichnung, insbesondere für langfristige Speicherung.
Halbleitergravur
Seit Beginn der Branche nutzen Halbleiterhersteller Laser, um das Material vorzubereiten, aus dem Computerchips hergestellt werden.
Ein wesentlicher Vorteil ist, dass Laser‑Schneiden und -Gravur keinen Kontakt erfordern und weniger Staub erzeugen als Alternativen – ein wichtiger Vorteil für Materialien, die höchste Sauberkeitsstandards benötigen. Laser‑Schneiden verschwendet zudem weniger Material und erzeugt keine Risse.
Laser werden zum Schweißen, zum Entfernen von Beschichtungen und zum Markieren von Halbleitermaterialien und -geräten eingesetzt.
Rechnen
Da klassische Silizium‑Chips fast so klein wie möglich werden, werden neue Rechenformen in Betracht gezogen, um die Leistung unserer Computer und Rechenzentren weiter zu steigern.
Eine davon ist die Photoniks, bei der Licht anstelle von Elektronen die Berechnungsdaten trägt. Die Methode nutzt viele ultraschnelle Laser sowie Lichtsensoren und optische Fasern, um Silizium‑Transistoren zu ersetzen, und könnte ein Weg sein, Moores Gesetz am Leben zu erhalten.
Eine weitere Option sind Quantencomputer, die Quanten‑Effekte nutzen, um Berechnungen durchzuführen, die für herkömmliche Computer unmöglich sind. Laser könnten hier ebenfalls helfen, von Infrarot‑Lasern zur Manipulation von Wasserstoffatomen bis zur Nutzung von Laser‑Magnetisierung nicht‑magnetischer Substanzen.
Telekommunikation
Neben Halbleitern & Rechnen werden Laser seit Jahrzehnten zur Übertragung von Informationen eingesetzt.
Laser‑Dioden können kohärentes Licht mit einer engen Frequenz erzeugen, wodurch mehrere Informationskanäle über ein einziges Glasfaserkabel gesendet werden können. Sie werden hauptsächlich für die Fernkommunikation verwendet und aus Quanten‑Dots hergestellt.
Laser können auch für die Weltraum‑Telekommunikation genutzt werden, entweder zwischen Satelliten oder zwischen Satelliten und erdbasierten Stationen.
Der Hauptvorteil der Laserkommunikation gegenüber Funkwellen ist die erhöhte Bandbreite, die die Übertragung von mehr Daten in kürzerer Zeit ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist, dass Laser‑Telekommunikation fast unmöglich abzuhören ist, da ein Lauscher physisch neben dem Empfänger sein müsste.
Zum Beispiel enthalten Starlink‑Satelliten jeweils 3 Laser‑Intersatelliten‑Links (ISLs), die mit 200 Gbps (Gigabyte pro Sekunde) arbeiten, um Daten untereinander zu übertragen, bevor sie sie zurück zu Starlink‑Stationen strahlen.
In Zukunft wird jede Weltraum‑Telekommunikation mit potenziellen Mond‑ oder Mars‑Basen höchstwahrscheinlich Laser nutzen, da sie sowohl die schnellstmögliche Datenübertragung als auch die höchste Bandbreite bietet.
Biotechnologie
Fluoreszenz
Eine oft vergessene Anwendung von Lasern ist in der Biotechnologie. Die frühe Methode war Laser‑induzierte Fluoreszenz (LIF), bei der ein Laser biologische Gewebe oder Moleküle dazu bringt, grünes oder rotes Licht zurückzusenden, sodass sie in einem Fluoreszenzmikroskop beobachtet werden können.
Quelle: MicroscopyU
Laser werden in Durchflusszytometern eingesetzt, um Zellen in einer Probe zu trennen.
Ein wichtiger Teilbereich dieser Technik ist die LIF‑Spektroskopie, die in der Chromatographie und Kapillarelektrophorese verwendet wird – beides sehr wichtige Techniken in der Biochemie zur Analyse biologischer Moleküle.
Genomsequenzierung & Medizin
Eine zunehmend wichtige biotechnologische Anwendung von Lasern ist die genetische Sequenzierung.
Quelle: Memorial University
Verbesserungen in der Lasertechnologie und sinkende Kosten waren Schlüsselfaktoren, um die Genomsequenzierung breiter verfügbar zu machen – sowohl für Forscher als auch für Mediziner.
Laser werden für Krebsdiagnostik und Analyse von Krebszellen eingesetzt und können auch dünne Gewebeschnitte für weitere Analysen schneiden.
Sensoren und selbstfahrende Fahrzeuge.
Laser können die Umgebung um sie herum messen. Sie können zum Positionieren von Lasern in Fabriken, zur Abstandsmessung oder zur Erkennung von Hindernissen verwendet werden.
Komplexe Systeme solcher Laser werden in LIDAR (Light Detection and Ranging) eingesetzt, das Laser‑Lichtpulse nutzt, um den Abstand von Objekten um es herum zu messen. LIDAR‑Systeme werden routinemäßig für Kartierungen verwendet.
LIDARs sind ein Schlüsselbestandteil der meisten selbstfahrenden Fahrzeugsysteme (mit Ausnahme von Teslas rein kamerabasiertem Ansatz), einschließlich Waymo von Google (GOOGL ).
Direkte Energie‑Waffe
Da Drohnen auf modernen Schlachtfeldern immer mehr zur Bedrohung werden, suchen Armeen weltweit nach kostengünstigen Lösungen, um sie abzuschießen.
Dies ist besonders wichtig, da die meisten Selbstmord‑Drohnen höchstens ein paar tausend Dollar kosten, wodurch jede Rakete oder sogar eine schussbasierte Lösung oft teurer ist als das Ziel selbst.
Eine Lösung könnten laserbasierte Waffen sein, eine Unterkategorie direkter Energie‑Waffen (zu denen beispielsweise Mikrowellenstrahlen gehören). Die Idee ist, einen leistungsstarken Laserstrahl zu verwenden, um die Drohne zu verbrennen, bevor sie zur Bedrohung werden kann.
Quelle: Laser Focus World
Da die „Munition“ nur die Energiekosten verursacht, könnte dies langfristig eine der wenigen praktikablen Optionen sein. Die Idee ist jedoch noch weit von der Reife entfernt, mit einigen Problemen, die vor dem Einsatz auf aktiven Schlachtfeldern gelöst werden müssen:
- Laserwaffen können durch nebliges Wetter behindert werden.
- Der Energieverbrauch ist enorm, was sowohl die Erzeugung als auch die Speicherung für Schnellfeuer problematisch macht.
- Laser neigen dazu, relativ zerbrechliche Geräte zu sein, was sie in einer Frontlinienrolle nicht so zuverlässig macht.
Wahrscheinlich wird die erste großflächige Anwendung laserbasierter Waffen für feste Einrichtungen wie Militärbasen und Schiffe sein.
Kernfusion
Derzeit ist die dominierende Strategie zur Erreichung von Kernfusion die Nutzung von Tokamaks, donut‑förmigen Strukturen, die magnetische Felder verwenden, um das Plasma zu halten.
Wie wir in „Kernfusion – Die ultimative saubere Energielösung am Horizont“ erklärt haben, ist dies jedoch nicht die einzige mögliche Methode, Kernfusion zu erreichen. Eine weitere Option ist die Nutzung von Lasern, um Wasserstoffatome so stark zu erhitzen, dass sie miteinander kollidieren, wodurch sofort Schockwellen entstehen, die die Wasserstoffatome zusammenpressen.
Ein gutes Beispiel ist die U.S. National Ignition Facility (NIF), die 192 leistungsstarke Laserstrahlen auf ein Ziel von etwa der Größe eines Bleistiftgummis richtet, fokussiert und verstärkt. Dies liefert 500 Billionen Watt Spitzenleistung an einer Stelle.
Quelle: Britannica
Solche Systeme sind gute Kandidaten für potenzielle kommerzielle Kernfusion und könnten auch für gepulste Fusionsantriebe für tief‑raum‑Raumschiffe nützlich sein.
Weltraumanwendungen
Astrophysik
Astrophysik befasst sich häufig mit extremen Druck‑ und Temperaturbedingungen, die auf der Erde schwer zu reproduzieren sind, etwa dem Inneren von Sternen oder gasförmigen Riesenplaneten.
X‑Ray‑Freie‑Elektronen‑Laser (XFELs) können helfen, solches Warm Dense Matter (WDM) zu untersuchen, was wiederum die Entwicklung besserer Raumfahrzeuge und Kernfusions‑Antriebe unterstützen könnte.
Orbitaler Solar
Eine wachsende Möglichkeit zur Erzeugung sauberer Energie ist orbitaler Solar. Dies liegt daran, dass die Kosten für den Start eines Energiesystems in den Orbit sehr schnell sinken, was die Idee realistisch macht, Tausende Tonnen Fracht in den Orbit oder weltraumbasierte Fertigung zu bringen.
Wie wir in „Weltraum‑basierte Energiesysteme für endlose saubere Energie“ erörtert haben, könnte die erzeugte Energie mittels Mikrowellenstrahlen oder leistungsstarker Laser zurück zur Erde gebündelt werden.
Solarsegel
Eine weitere zukünftige weltraumbasierte Möglichkeit für Laser sind Solarsegel. Der Kerngedanke ist, dass Photonen zwar masselos sind, aber dennoch einen winzigen Impuls tragen.
In der schwerelosen Umgebung des tiefen Weltraums kann dieser kleine Schub ausreichen, um ein Raumschiff zu beschleunigen.
Ein Solarsegel wäre ein großes Segel aus Folie, das Licht einfängt und in Schub umwandelt. Orbital‑ oder mondbasierte Lasersysteme könnten mehr Licht auf ein solches System werfen und es zu Geschwindigkeiten beschleunigen, die mit chemischen Raketentriebwerken unerreichbar sind.
Quelle: For All Mankind TV
Diese Methode könnte sogar für interstellare Reisen genutzt werden, da sie theoretisch ein Raumschiff bis zu 20 % der Lichtgeschwindigkeit mit bekannter Physik schieben könnte.
Investieren in Lasertechnologie
Laser sind in unzähligen Teilen moderner Technologie präsent, von optischen Datenträgern bis zu chirurgischen Werkzeugen, 3D‑Druck, Halbleitern, Fertigung und Genomsequenzierern, mit einem Markt von 17,8 Mrd. $ und einer erwarteten Wachstumsrate von 7,8 % CAGR bis 2030.
Sie können in laserbezogene Unternehmen über viele Broker investieren, und Sie finden hier, auf securities.io, unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich, und vielen anderen Ländern.
Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne Unternehmen auszuwählen, können Sie auch Technologie‑ETFs wie iShares U.S. Technology ETF (IYW) oder ProShares Nanotechnology ETF (TINY) in Betracht ziehen, obwohl es keinen dedizierten reinen Laser‑ETF gibt, was Ihnen eine diversifiziertere Exponierung auf Nanotech‑ und Technologiewerte bietet.
Sie können auch erfahren, wie man in Gallium investiert, in unserem speziellen Bericht, da Gallium ein Schlüsselelement für die Herstellung von Lasern ist und derzeit im Zentrum des US‑China‑Handelskonflikts steht.
Laserunternehmen
II-VI Marlow / Coherent
(COHR )
Coherent ist ein großes Industrie‑Konglomerat mit über 26.000 Mitarbeitern und ein führender Anbieter von Lasertechnologie, entstanden aus der Fusion des fortschrittlichen Materials‑Unternehmens II‑VI Marlow mit dem Laserhersteller Coherent.
Das Unternehmen ist Experte für fortschrittliche Materialien, die in Lasern, Optik und Photonik verwendet werden, wie Indium‑Phosphid, epitaktische Wafer und Galliumnitrid. Es wuchs in den letzten zehn Jahren stark durch zahlreiche Akquisitionen.
Quelle: Coherent
Das Unternehmen erzielt 29 % seiner Einnahmen direkt aus Lasern, der Rest stammt aus zugehöriger Ausrüstung wie optischen Fasern und Elektronik. Die Kategorie Instrumentierung umfasst hauptsächlich Life‑Sciences‑ und Medizin‑Anwendungen.
Quelle: Coherent
Die Präsenz des Unternehmens in fortschrittlichen Materialien wie Thermophotovoltaik (die wir in einem früheren Artikel besprochen haben), Silizium‑Carbid, Lasern und Elektronik hilft ihm, von strukturellen Trends wie dem Wachstum der Präzisionsfertigung, additiver Fertigung (3D‑Druck), Elektrifizierung und erneuerbarer Energien zu profitieren.
Das Unternehmen hat kürzlich sein Silizium‑Carbid‑Geschäft in ein neues Unternehmen ausgegliedert, das zu 75 % von Coherent gehalten wird, während die restlichen Anteile zu gleichen Teilen von seinen Partnern Mitsubishi Electric (die Silizium‑Carbid‑Power‑IP einbringen) und Denso (die als Automobilzulieferer im Bereich Elektrifizierung und Leistungshalbleiter aktiv sind) gehalten werden.
Dies liegt daran, dass Silizium‑Carbid zunehmend eine eigenständige Technologie wird, die hauptsächlich in Hochleistungs‑Anwendungen wie Elektro‑Fahrzeugen, Batterien und erneuerbaren Energien eingesetzt wird.
Coherent ist ein führender im LIDAR‑ und 3D‑digitalen Sensing, einschließlich für selbstfahrende Anwendungen, Biotech Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, und Laser für die Halbleiterfertigung. Es erwartet, dass seine Hauptmärkte mit 8‑20 % wachsen.
Quelle: Coherent
Weitere potenzielle neue Anwendungen von Lasern wie direkte Energie‑Waffen, photonische Rechner, Kernfusion und Weltraum‑Technologie könnten alle gleichermaßen dazu beitragen, das langfristige Wachstum des Unternehmens zu sichern.
Insgesamt ist Coherent dem Konzept eines „pure‑play“ börsennotierten Laserunternehmens für Investoren, die an diesem Sektor interessiert sind, am nächsten, mit starker vertikaler Integration und über 3.100 Patenten, die seine Innovationen schützen.
