Dieser Nobelpreisträger ebnete den Weg zum Hoch

Als sie aufwuchs, hatte Donna Strickland ein Ziel vor Augen: einen Doktortitel zu erwerben. Sie wusste jedoch nicht, welches Fach sie verfolgen wollte, bis sie ihr Grundstudium der Physik an der McMaster University in Hamilton, Ontario, Kanada, begann. Dort begann sie, sich für das Studium von Lasern zu interessieren, nachdem sie einen Kurs zu diesem Thema belegt hatte.

Das Thema schien „wirklich cool – wie etwas aus einem Science-Fiction-Roman“, sagt Strickland. Sie wusste nicht, dass ihre neu entdeckte Leidenschaft ihr eines Tages einen Nobelpreis für Physik einbringen würde.

ARBEITGEBER

Universität von Waterloo, Ontario

TITEL

Physikprofessor

MITGLIEDSGRADE

Ehrenmitglied

ALMA MATER

Universität von Rochester, in New York

Während ihrer Doktorarbeit an der Universität Rochester in New York forschte Strickland im Bereich Optik und arbeitete mit dem französischen Physiker Gérard Mourou zusammen, einem Laserpionier und Nobelpreisträger. Mourou leitete die Entwicklung des Extreme Light Infrastructure-Netzwerks von Physiklaboren, die zur Erzeugung und Untersuchung intensiven Laserlichts errichtet wurden. Während sie gemeinsam damit experimentierten, die Spitzenleistung eines Lasers zu erhöhen, ohne ihn zu beschädigen, erfanden sie die Chirped-Pulse-Verstärkungstechnik. CPA, das kurze Laserimpulse mit hoher Intensität erzeugt, wird heute in der korrigierenden Augenchirurgie, in der medizinischen Bildgebung, bei der Smartphone-Herstellung und vielen weiteren Anwendungen eingesetzt.

Strickland und Mourou teilten sich den Nobelpreis für Physik 2018 mit dem IEEE Life Fellow Arthur Ashkin, der eine separate Technologie erfand: „optische Pinzetten“, die Laserstrahlen geringer Leistung nutzen, um lebende Zellen und andere winzige Objekte zu manipulieren.

Die Verleihung des Nobelpreises sei „lebensverändernd“ gewesen, sagt Strickland und fügt hinzu: „Dein Leben kann sich an einem einzigen Tag ändern, ohne dass du darauf vorbereitet bist.“

Ihre Erfindung brachte ihr auch die diesjährige IEEE-Ehrenmitgliedschaft ein, die von IEEE gesponsert wird. Sie sagt, die Auszeichnung sei etwas Besonderes, weil ihre Kollegen sie dafür nominiert hätten.

„Donnas Arbeit war transformativ. Ihre bahnbrechende Forschung zur Chirped-Pulse-Verstärkung ist der Goldstandard der Forschung“, sagte einer ihrer Preisträger. „Darüber hinaus ist sie ein wahres Vorbild für Legionen von Ingenieuren auf der ganzen Welt. Sie ist eine äußerst großzügige Person und ein leuchtendes Beispiel dafür, was ein IEEE-Ehrenmitglied sein sollte.“

Strickland ist Physikprofessorin an der University of Waterloo in Ontario, wo sie eine Forschergruppe leitet, die hochintensive Lasersysteme für nichtlineare Optikuntersuchungen entwickelt, wie etwa die Erzeugung von Impulsen im mittleren Infrarotbereich durch Differenzfrequenzmischung und die Untersuchung der Mehrfrequenz-Raman-Erzeugungstechnik.

Donna Strickland erhält den Nobelpreis für Physik 2018 von König Carl Gustaf von Schweden in der Stockholmer Konzerthalle.Henrik Montgomery/TT News Agency/Getty Images

Nach seinem Bachelor-Abschluss in Physik im Jahr 1981 bei McMaster zog Strickland nach New York, um an der University of Rochester in Optik zu promovieren, die damals als eine der besten Fakultäten für das Studium der Laseroptik galt. Sie schloss sich Mourou im Labor für Laserenergetik der Universität an, wo er nach Möglichkeiten suchte, die Intensität (optische Leistung) von Lasern zu erhöhen, ohne das Gerät zu beschädigen.

Gepulste Laser können Licht für kurze Zeit auf einen kleinen Bereich konzentrieren, um Strom zu erzeugen. Nachdem der Physiker Theodore Maiman 1960 den ersten Laser vorführte, stiegen die Spitzenintensitäten mehrere Jahre lang rasch an. Nach 1970 blieben die Intensitäten jedoch mehr als ein Jahrzehnt lang auf einem Plateau, da eine Verstärkung des Lichts über einen bestimmten Punkt hinaus den Laser beschädigte.

In seiner Forschung über die Wechselwirkung von Licht mit Materie stellte Mourou 1983 die Hypothese auf, dass das Abstandshalten und Verstärken von Pulsen vor dem Zusammenführen zu Laserpulsen höherer Intensität ohne Schaden führen könnte. Aber er wusste nicht, wie er es schaffen sollte, sagt Strickland. Deshalb testete sie im Rahmen ihrer Doktorarbeit seine Hypothese mit verschiedenen Lasersystemen. Keines ihrer Experimente funktionierte jedoch.

„Donna ist ein wahres Vorbild für Legionen von Ingenieuren auf der ganzen Welt. Sie ist eine äußerst großzügige Person und ein leuchtendes Beispiel dafür, was ein IEEE-Ehrenmitglied sein sollte.“

Erst als Strickland und Mourou 1984 an der Internationalen Konferenz über ultraschnelle Phänomene teilnahmen, fanden sie die Lösung. Die alle zwei Jahre stattfindende Veranstaltung bringt Wissenschaftler zusammen, die Werkzeuge, Methoden und Techniken zur Untersuchung von Prozessen in Atomen, Molekülen oder Materialien entwickeln, die in Millionstel einer Milliardstel Sekunde oder schneller ablaufen.

Strickland und Mourou nahmen auf der Konferenz an einer Präsentation über die neu entwickelte Glasfaser-Pulskompression von Neodym-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-Lasern (Nd:YAG) teil. Mit dieser Technik könnten 100-Pikosekunden-Pulse mithilfe nichtlinearer Optik in einer optischen Faser auf 1 ps komprimiert werden, um die spektrale Bandbreite eines Lasers zu erhöhen. Es wurde festgestellt, dass die Kompression am erfolgreichsten war, wenn man den Impulsen erlaubte, sich durch Dispersion in der Faser auszudehnen.

„Ich habe für meine Experimente dieselben Laser verwendet“, erinnert sich Strickland.

Sie und Mourou fanden heraus, wie sie den hochintensiven Puls sicher erzeugen konnte: Der Puls musste gedehnt werden, bevor er verstärkt wurde, und nicht erst danach, wie es zuvor geschehen war. Durch die Dehnung des Pulses konnte dieser erneut komprimiert werden, um die gewünschte Intensität zu erzeugen.

Um ihre Theorie zu testen, bauten Stickland und Mourou im Labor für Laserenergetik ein System, das aus einem 2-Watt-Nd:YAG-Laser, 1,4 Kilometern Glasfaser, einem Verstärker und einem Paar paralleler Gitter bestand.

Der Nd:YAG-Laser pumpte einen kurzen Impuls mit 100 ps in die optische Faser. Da die Lichtgeschwindigkeit von der Wellenlänge abhängt, breitet sich der rote Anteil des Lichts innerhalb der Faser schneller aus als der blaue.

Man spricht von einem „gezwitscherten Puls“, sagt Strickland, weil das Zwitschern eines Vogels eine ähnliche Frequenzstruktur hat.

Der gechirpte Impuls verlängert die Dauer des Impulses und verteilt die Intensität, sodass der Laser nicht beschädigt wird. Der gestreckte Impuls mit niedrigerer Energiedichte wurde dann verstärkt und durch ein Paar paralleler Beugungsgitter geleitet, wodurch die nachlaufende blaue Komponente die rote Komponente einholen konnte. Beide wurden durch Reflexion an den Gittern wieder zusammengesetzt. Der wieder zusammengesetzte Impuls war dreimal stärker als der ursprüngliche, sagt Stickland.

Die nach dem Chirped Pulse benannte Technik hat seitdem den Weg für die kürzesten und intensivsten Laserpulse aller Zeiten geebnet und den Bau kompakterer und präziserer Lasersysteme ermöglicht.

Die Arbeit von Strickland und Mourou aus dem Jahr 1985 „Compression of Amplified Chirped Optical Pulses“ wurde in Optics Communications veröffentlicht. Es war Stricklands erste veröffentlichte Forschungsarbeit.

Nachdem Strickland bei der Entwicklung von CPA mitgewirkt hatte, war er sich immer noch nicht sicher, welchen beruflichen Weg er einschlagen sollte. Sie suchte Rat bei ihren Kollegen, und einer erzählte ihr, dass Paul Corkum, ein Physiker, der in der Abteilung für ultraschnelle Phänomene des Canadian National Research Council arbeitete, in diesem Jahr seinen ersten Postdoktoranden als Forschungsstipendiat bekam. Corkum, der sich auf Laserwissenschaften spezialisierte, leistete Pionierarbeit bei der Entwicklung der Attosekundenphysik. Strickland gefiel der Klang.

„Ich erinnere mich, dass ich den anderen Doktoranden in meinem Forschungslabor erzählt habe, dass Corkum meinen Namen vielleicht noch nicht kennt, ich aber sein zweiter Postdoc sein würde“, sagt sie. 1988 bekam sie ihren Traumjob und arbeitete drei Jahre für ihn.

1991 wurde sie Physikerin am Lawrence Livermore National Laboratory, einer Einrichtung des US-Energieministeriums in Kalifornien.

Während sie an der Westküste lebte, lebte ihr Mann, ein Physiker, an der Ostküste und arbeitete bei Bell Labs in Murray Hill, New Jersey

Nachdem er ein Jahr getrennt verbracht hatte, zog Strickland nach New Jersey, um sich dem technischen Personal des Advanced Technology Center for Photonics and Opto-electronic Materials in Princeton anzuschließen. Sie habe dort mit Elektroingenieuren, Maschinenbauingenieuren und Chemikern zusammengearbeitet, sagt sie, und „wenn sie einen Laser hatten, habe ich ihnen geholfen.“ Sie half einem Professor beim Bau eines CPA-Lasers und unterstützte eine Forschungsgruppe, die die nichtlineare optische Charakterisierung eines neuen pulsverstärkenden Materials durchführte.

Strickland sagt, sie dachte, sie würde bis zu ihrer Pensionierung in Princeton arbeiten, doch nachdem ihr Mann 1996 Bell Labs verlassen hatte, kehrten sie nach Kanada zurück. Strickland trat als Assistenzprofessor in die Physikabteilung der University of Waterloo ein. Im Jahr 2002 wurde sie zur außerordentlichen Professorin befördert. Von 2007 bis 2013 war sie stellvertretende Vorsitzende der Abteilung.

„Als ich jung war, wollte ich einfach nur einen Doktortitel machen und weiter zur Schule gehen“, sagt Strickland. „Professor zu sein ist dem Studium gleichzusetzen.“