Lasertechnologie: Die Kraft der Hochleistungslaser

14.09.2026

Lasertechnologie begegnet uns längst im Alltag: Wir scannen unsere Einkäufe an der Supermarktkasse, Daten werden in Form von Lichtsignalen übertragen und seit vielen Jahren kommen Laser auch in der Medizin zum Einsatz. Doch das ist nur der Anfang, denn was zukünftig möglich ist, geht noch weit darüber hinaus.
In der Forschung werden heute Hochleistungslaser entwickelt und eingesetzt. Dabei treffen verschiedene Forschungsrichtungen aufeinander, aus deren Erkenntnissen wiederum ganz neue Anwendungsfelder entstehen.
Was können Hochleistungslaser tatsächlich und welche Potenziale stecken in ihnen? Diese und weitere Fragen klärt Dr. Tanja Jovanovic mit Prof. Dr. Jörg Schreiber, Gruppenleiter für Laser-Ionen-Beschleunigung und Prof. Dr. Stefan Karsch, Gruppenleiter für Hochleistungslaser Entwicklung, Elektronenbeschleunigung und Anwendungen beim Centre for Advanced Laser Applications (CALA), im Gespräch.

Das zeigt, welches Potenzial Ihre Forschung für die Medizin der Zukunft hat. Welche wichtigen Meilensteine haben Sie bei CALA bisher erreicht?

Prof. Dr. Stefan Karsch: Zunächst einmal, dass wir das Lasersystem innerhalb relativ kurzer Zeit aufgebaut haben. Wenn ich es mit ähnlichen Lasern vergleiche, davon gibt es weltweit nicht viele, sind wir in Deutschland das stärkste Lasersystem und gehören auch weltweit zur Gruppe der stärksten. Und wir haben es in Rekordzeit und im Budget aufgebaut. Das hat also relativ schnell funktioniert.

Wie lange haben Sie dafür gebraucht?

Prof. Dr. Stefan Karsch: Ungefähr drei Jahre von Baubeginn bis zur Inbetriebnahme. Bis dann wirklich gute Ergebnisse herauskamen, hat es noch einmal ein bis zwei Jahre gedauert. Ein vergleichbares Großprojekt ist zum Beispiel ELI auf europäischer Ebene. Dort wurde ein paar Jahre früher angefangen und der gleiche Status erst fünf Jahre später erreicht. Darauf sind wir stolz.
Das kommt auch daher, dass wir vorher bereits einige solcher Laser betrieben haben, nicht genau mit diesen Parametern, aber wir kannten das Feld schon eine ganze Weile. Mittlerweile können wir damit gute Teilchenstrahlen erzeugen, die bei gewissen Parametern tatsächlich auch weltführend sind. Bei den Elektronen können wir zum Beispiel Strahlen mit bisher nicht gekannter Ladung, also einer sehr hohen Anzahl von Teilchen pro Teilchenpaket, und einer bisher nicht realisierten Schärfe erzeugen.
Jetzt geht es darum, die Anlage immer weiter zu verbessern und dabei kleine Schritte zu machen. Denn Forschung ist immer eine Abfolge von kleinen Schritten. Und irgendwann findet man in einem dieser Schritte wieder eine große neue Idee, die man dann weiterverfolgt. Davon hatten wir jetzt ein paar und die liefen gut.

Was macht Ihre Forschungsinfrastruktur in CALA so besonders? Warum braucht es Orte, an denen Laserentwicklung, Experimente und vor allem die Anwendungsperspektive zusammenkommen?

Prof. Dr. Stefan Karsch: Laser in dieser Größenordnung sind normalerweise an nationalen Instituten beheimatet. Das sind dann Anlagen, die User Facilities sind, sprich: Ich muss einen Antrag schreiben, wenn ich da forschen will. Dieser wird begutachtet und dann darf ich unter sehr kontrollierten Bedingungen was tun, damit der Anlage auch ja nix passiert. Wir haben am CALA den Vorteil, dass uns eine solche Anlage gehört, in der gleichen Größenordnung oder teilweise sogar größer. Mit der können wir tun, was wir wollen, und wir wissen Gott sei Dank auch, was wir damit tun können. Das hilft uns, neue Ideen sehr viel schneller verfolgen zu können. Und das ist sehr wertvoll. 
Was bei uns natürlich auch wichtig ist und für die Mitarbeiter sowohl ein Vorteil als auch ein Nachteil sein kann, betrifft vor allem die Doktoranden und Doktorandinnen, die wir betreuen. Sie müssen sowohl am Laser als auch am Experiment arbeiten und beides kennenlernen, damit sie für ihr Experiment die optimalen Parameter des Lasers herausholen können. Sie brauchen dadurch länger, bis sie ihre Daten haben. Dafür erreichen sie aber auch eine Qualität, die nur schwer möglich ist, wenn man einmal im Jahr für ein paar Wochen Strahlzeit an einer User Facility hat.
Bei uns können diese Experimente über lange Zeit stehen bleiben und immer weiter optimiert werden. Das hilft uns natürlich, trotz der relativ kleinen Gruppengröße und trotz der relativ geringen finanziellen Ausstattung, die wir haben, wenn ich es mit so einem Großlabor vergleiche, konkurrenzfähig zu bleiben. Und das ist ein ziemlicher Luxus, da sind wir sehr, sehr glücklich, dass der bayerische Staat uns das ermöglicht. Aber es ist natürlich auch eine Bürde und wir müssen schauen, dass wir dieser Bürde gerecht werden.

Prof. Dr. Jörg Schreiber: Wir haben natürlich auch den Vorteil, dass wir an der LMU eine große Interessengemeinschaft haben und dadurch verschiedene Expertisen zusammenkommen. Ich gehöre zum Lehrstuhl für Medizinphysik von Prof. Dr. Katia Parodi, Herr Karsch gehört zur Laserphysik von Ferenc Krausz und diese Interdisziplinarität treibt natürlich auch Innovationen voran.
Wir haben viele verschiedene Anwendungsideen. Gleichzeitig hilft es, wenn man in alle Richtungen forschen kann, auch auf Spur zu bleiben. Dass die Anwendungen in der Medizin immer im Zentrum stehen, ist dabei ein wichtiger Punkt. Aber wie Herr Karsch bereits anmerkte, sind wir auch bewegungsfähig. Wenn sich Chancen bieten, können wir Kooperationen eingehen, wenn sie für beide Seiten sinnvoll sind und sich daraus neue Forschungsfelder erschließen lassen.

Diese Freiheit erlaubt es Ihnen also auch, frühzeitig neue Forschungsrichtungen aufzugreifen. Im Vorfeld haben wir bereits darüber gesprochen, dass Sie auch zum Thema Laserfusion forschen. Wie kam es dazu?

Prof. Dr. Jörg Schreiber: Diese Frage ist schön, weil sie ein bisschen erlaubt, über die Historie zu sprechen. Die Wenigsten wissen, dass die Forschung, in der wir und Kollegen auf der ganzen Welt heute tätig sind, eigentlich aus einem Unfall entstanden ist. In den 90er-Jahren hat man bei der Forschung zur Laserfusion festgestellt, dass hohe Intensitäten für die Fusion eher nachteilig sind.
Damals wurde das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching vom IPP, dem Max-Planck-Institut für Fusionsforschung, ausgekoppelt, um der Laserfusion mehr Raum zu geben. Aus dieser Forschung, Herr Karsch war damals live dabei und ich bin relativ schnell dazugekommen, sind wir dann in die jetzige Linie gekommen, Laser-Teilchenbeschleuniger zu bauen. Deswegen finde ich es sehr interessant, dass jetzt neue Ideen entstehen, Kurzpuls- und Hochintensitätslaser mit neuen Ansätzen wieder für die Fusion einzusetzen. Wir kommen damit zu den Wurzeln zurück. Das ist nicht einfach so passiert. Wir wurden damals direkt von Marvel Fusion, einem der Laserfusions-Start-ups in Deutschland, angesprochen, ob wir nicht zusammenarbeiten möchten. Dabei gibt es viele grundlegende physikalische Fragestellungen, bei denen wir sehr gut zusammenarbeiten können. Wir haben das Potenzial und die Chance gesehen und uns da reingestürzt.

Prof. Dr. Stefan Karsch: Wir sind natürlich nicht die treibenden Fusionsforscher, das muss man sagen. Aber es gibt große Überschneidungen mit unserer Forschung. Bei der Teilchenbeschleunigung wollen wir sehr hohe Energien mit relativ vielen Teilchen und sehr schön fokussierte Strahlen erreichen. Marvel Fusion dagegen will vereinfacht gesagt einen Hammer haben: viel mehr Teilchen mit weniger Energie.
Die grundlegenden Fragestellungen sind aber sehr ähnlich: Wie koppele ich Laserenergie möglichst effizient in Plasma ein, um daraus Teilchen zu beschleunigen? Da sehen wir große Synergien. Deshalb ist es, glaube ich, eine Win-win-Situation für beide Seiten, auch weil beide ein Interesse daran haben, dass der Laser weiterentwickelt wird. Deswegen haben wir uns mit Freude und Enthusiasmus in dieses neue Feld gestürzt. Wobei wir das Konzept, das Marvel verfolgt, nicht wirklich beurteilen können. 

In Ihrer Forschung gibt es viele sogenannte Spillover-Effekte. Welche neuen Methoden, Technologien oder Erkenntnisse sind dabei zuletzt entstanden?

Prof. Dr. Stefan Karsch: Das klassische Beispiel, wobei ich es gar nicht so richtig als Spillover bezeichnen würde, ist die Teilchenbeschleunigung. Teilchenbeschleuniger gibt es überall in der Forschung: von der Röntgenröhre über den großen Beschleuniger am CERN bis hin zu FELs oder Synchrotrons, die beispielsweise in der biologischen Forschung, den Life Sciences oder der Materialforschung eingesetzt werden. Wir denken, dass wir mit diesen Lasern extrem hohe Beschleunigungsfelder bereitstellen und in sehr kurzer Zeit aus sehr kleinen räumlichen Bereichen Strahlen erzeugen können, die wesentlich dichter und fokussierter sind als bei konventionellen Maschinen. Wir haben auch Nachteile, deshalb können wir konventionelle Systeme bisher nicht ersetzen. Daran arbeiten wir aber auch gar nicht.
Wir wollen vielmehr neue Nischen für diese Beschleuniger erschließen, in denen ihre besonderen Stärken zum Tragen kommen: extrem kurze Teilchenpulse, mit denen wir hochdynamische Prozesse untersuchen können, die Umwandlung in Sekundärstrahlung wie Röntgenstrahlung oder auch die Fokussierung von Ionen auf möglichst kleine Flächen. Das sind Dinge, die mit den bisherigen Maschinen nicht so gut möglich sind.
Prof. Dr. Jörg Schreiber: Ich würde vielleicht noch einen weiteren Spillover nennen, den wir bisher noch nicht beobachtet haben, aber es hoffentlich werden. Die Elektronen, die Herr Karsch bereitstellt, um diese brillanten Röntgenstrahlen und damit Bilder von Tumoren zu erzeugen, können auch genutzt werden, um beispielsweise in Fusionsplasmen hineinzuschauen. Das ist eine der Synergien, die sich gerade entwickeln. Das ist noch nicht marktreif, aber wenn Sie mich fragen: das wird kommen.

Prof. Dr. Stefan Karsch: Typisch für die Laserfusion ist, dass ich ein Brennstoffkügelchen oder wie auch immer der Brennstoff vorliegt, stark komprimieren muss. Das ist je nach Anwendung mehr oder weniger stark. Dann habe ich ein hochdichtes Plasma, und das Ganze lebt nur etwa eine Pikosekunde. In dieser Zeit muss die gesamte Fusion stattgefunden haben.
Wie ich diese Materie so schnell und so klein komprimiere und mir das auch noch anschauen kann, das geht eben mit wenigen Femtosekunden-Strahlen. Ich rede hier in komischen Zahlen: Was ist eine Pikosekunde, was ist eine Femtosekunde? Eine Pikosekunde ist ein Billionstel einer Sekunde und eine Femtosekunde der billiardste Teil einer Sekunde. Auf diesen unvorstellbar kurzen Zeitskalen bewegen wir uns.

Gibt es Forschungsmeilensteine, auf die Sie bei CALA in den nächsten Jahren besonders hinfiebern?

Prof. Dr. Jörg Schreiber: Früher habe ich immer gefeiert, wenn wir zehn Laserschüsse am Tag geschafft haben. Diese intensiven Laser erzeugen jeweils nur einen kurzen Puls. Heute können wir einmal pro Sekunde einen Laserpuls erzeugen und damit auch einmal pro Sekunde Ionen beschleunigen. Wir können die Maschine also anschalten und eine halbe Stunde oder auch länger laufen lassen. Einmal pro Sekunde kommen Ionen heraus.
Der nächste Meilenstein wäre für mich, damit erste richtig gute Demonstrationsanwendungen zu zeigen. Das könnte zum Beispiel die Bestrahlung von Tumorzellen sein, die wir gleichzeitig beobachten, während wir sie bestrahlen. Das war bisher gar nicht möglich. Weil wir die Ionenpakete mit dem Laser beschleunigen, können wir zum richtigen Zeitpunkt gleichzeitig beobachten, was passiert. Bisher machen wir das zunächst in Wasser, später dann in der Zelle. So können wir auf physikalischer und chemischer Ebene untersuchen, welche Prozesse durch die Protonen oder Ionen angestoßen werden. Das wäre für mich ein Meilenstein der nächsten Jahre: zeitaufgelöst zu messen, welche Prozesse ablaufen, bis irgendwann die Zelle stirbt.

Prof. Dr. Stefan Karsch: Von meiner Seite habe ich natürlich auch so einen Heiligen Gral oder sogar zwei. Ein Heiliger Gral bei der Elektronenbeschleunigung ist, dass die Qualität dieser Strahlen so gut wird, dass man damit einen Freie-Elektronen-Laser betreiben kann. In Hamburg steht zum Beispiel der Europäische Freie-Elektronen-Laser. Der ist drei Kilometer lang, kostet, glaube ich, 10 oder 15 Milliarden Euro und ist ein Flaggschiff für große Experimentkampagnen.
Wir versuchen, diesen Beschleuniger auf einige Zentimeter zu schrumpfen. Wenn uns das gelingt und die Strahlqualität gut genug wird, könnten wir damit auch einen Freie-Elektronen-Laser betreiben. Vor einigen Jahren haben wir einen Trick gefunden, mit dem wir über einen zweistufigen Prozess tatsächlich realistische Chancen haben, dahin zu kommen. Die Laserbeschleuniger-Community verfolgt dieses Ziel schon seit 20 Jahren. Bisher hat man nur an der Oberfläche gekratzt, aber wir hoffen, dass wir mit unserem Trick wirklich in dieses Regime kommen. Dazu sind wir gerade dabei, einen Antrag fertigzustellen, der relativ gute Chancen hat, finanziert zu werden.
Das andere Ziel betrifft unseren Laser, der aktuell einmal pro Sekunde feuert. Herr Schreiber hat vorher „nur“ einmal pro Sekunde gesagt, und das ist auch genau richtig, denn eine konventionelle Quelle kann so etwas tausendmal oder sogar Millionen Mal pro Sekunde. Wir entwickeln deshalb an einem anderen Laser, der ebenfalls hier steht, Konzepte, mit denen wir tausendmal pro Sekunde Elektronen beschleunigen und damit wieder Röntgenstrahlung erzeugen können. Das würde mit einer wesentlich höheren mittleren Leistung einhergehen. Wenn ich dann jemanden untersuchen möchte, müsste die Person nicht zehn Minuten warten, sondern nur ein paar Sekunden. Das wäre ein großer Durchbruch, und wir hoffen, dass wir das erreichen können.

Wenn Sie sich drei Dinge wünschen könnten, um Ihre Forschung schneller in die Anwendung zu bringen und das technologische Umfeld voranzubringen, welche wären das?

Prof. Dr. Jörg Schreiber: Dann nenne ich mal das Wichtigste: Ich glaube, das ist die Lasertechnologie. Aber da ist Herr Karsch der Experte. Ich weiß nur: Da müssen wir uns wirklich verbessern.

Prof. Dr. Stefan Karsch: Was tatsächlich ein großes Problem ist, speziell in Deutschland: Wir haben weltführende Laserhersteller, die sehr gut sind. Was sie besonders gut können, sind Laser für die Industrie mit sehr hoher mittlerer Leistung, aber sehr geringer Spitzenleistung. Das ist genau das Gegenteil von dem, was wir brauchen. Wir brauchen eine sehr hohe Spitzenleistung und gleichzeitig eine hohe mittlere Leistung. Deshalb müssen wir solche Laser zurzeit in anderen Ländern einkaufen.
Wir brauchen hier deutlich mehr Unterstützung aus der Industrie. Solange wir im akademischen Bereich an Beschleunigern forschen und diese noch nicht in der Anwendung sind, ist der Anreiz für die Industrie, dort groß einzusteigen, natürlich gering. Deshalb hoffen wir auch auf die Fusions-Start-ups, die noch einmal einen Schub geben können.
Hoffentlich schafft es die deutsche Industrie dann, entscheidende Fortschritte bei diesen Lasern zu machen, sowohl bei den benötigten Materialien als auch bei Spiegeln mit hoher Zerstörschwelle und den Pumpaggregaten. Das sind Dioden, die aktuell noch sehr teuer sind. Wenn wir hier vorankommen, können wir unsere Laser auch in Zukunft weiter aufrüsten und mit der Entwicklung mithalten. Das ist ein wichtiger Punkt.

Prof. Dr. Jörg Schreiber: Natürlich ist auch die Situation beim Personal wichtig. Wir brauchen einfach gute Nachwuchswissenschaftler. Daran kann man als Universität natürlich arbeiten. 

Also mehr Promotion für die Forschung?

Prof. Dr. Jörg Schreiber: Das hilft immer, glaube ich. Ich finde, wir sitzen hier ein bisschen im Elfenbeinturm und haben wahnsinniges Glück mit unseren Leuten. Aber ich glaube, was Sie gesagt haben, trifft es sehr gut: Man muss immer wieder konsequent dafür werben, dass Forschung einfach cool ist. Es ist schön, der Natur ihre Geheimnisse zu entlocken. Und wenn man das dann auch noch für etwas anwenden kann, ist das natürlich schön. Aber die Anwendung sollte nicht unbedingt im Vordergrund stehen.

Prof. Dr. Stefan Karsch: Das kommt darauf an. Natürlich brauchen wir Leute, die das in die Anwendung tragen. Das sind wir nicht, sonst würden wir nicht an der Universität sitzen. Wir sind tatsächlich Grundlagenforscher. Das ist sehr wichtig, denn ohne Grundlagenforschung ist auch die angewandte Forschung ziemlich aufgeschmissen. Wir müssen irgendwo anfangen, und wir sitzen eben am Anfang. Gott sei Dank haben wir auch viele junge Nachwuchsforscher, die stärker in Richtung Anwendung schauen und auch in Richtung Start-ups gehen. Das ist wichtig. Ich glaube, wir müssen das Ganze einfach besser integrieren.
Natürlich spielen dabei auch private Investoren eine Rolle. Das funktioniert bei uns noch nicht so gut wie in den USA. Ich glaube, dieser Spirit muss hier auch stärker zum Zuge kommen, denn so schlecht sind wir nicht. Wir können schon was in Deutschland.

Das Interview führte Dr. Tanja Jovanovic, Leitung Marketing & Innovation und Mitglied der Geschäftsleitung, Bayern Innovativ GmbH, Nürnberg.