Glasfaserkabel sind ungemein praktisch: Sie bündeln das Licht in ihrem Innern und lenken es über weite Strecken mit nur geringen Absorptionsverlusten. Ein großer Teil der weltweiten Datenströme läuft über solche Kabel. Aber Glasfaserkabel haben auch Grenzen: Zu starke Lichtsignale können sie beschädigen, und sie benötigen eine stützende Auflage – ein kilometerlanges Kabel lässt sich nicht mal eben freischwebend durch die Luft verlegen.

Filamente (rosa) lenken Licht
© Howard Milchberg, University of Maryland
(Ausschnitt)
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Doch nun haben Forscher der University of Maryland eine Methode entwickelt, die Luft selbst so zu beeinflussen, dass sie zu einem Wellenleiter wird und Lichtsignale wie ein Glasfaserkabel lenkt.

Die Idee dahinter ist in beiden Fällen die gleiche. Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium auf ein optisch dünneres trifft, so unterliegen ab einem bestimmten Winkel alle Lichtstrahlen der Totalreflexion und werden ohne Verluste weitergeleitet. Man kennt diesen Effekt vom Tauchen: Wasser ist optisch dichter als Luft, hat also einen höheren Brechungsindex. Wenn man knapp unter der Wasseroberfläche geradeaus guckt, sieht man ab einem bestimmten Punkt nicht mehr, was sich über der Wasseroberfläche befindet, sondern nur noch Spiegelungen.

Prinzip der Glasfaserkabel auf Luft übertragen

Um Lichtstrahlen per Totalreflexion zu leiten, bestehen Glasfaserkabel dementsprechend aus einer zentralen, transparenten, Licht führenden Ader mit hohem Brechungsindex, umgeben von einem optisch dünneren Material.

Dieses Prinzip ließe sich doch auch mit Luft umsetzen, dachten sich Howard Milchberg und seine Mitarbeiter. Denn der Brechungsindex von Luft ist zwar insgesamt sehr klein. Aber dichtere Luft hat einen geringfügig höheren Brechungsindex als dünnere Luft. Wenn es gelänge, Luft – zum Beispiel mit Laserstrahlen – entlang einer Achse zumindest für kurze Zeit zu komprimieren, ließe sich damit eine Art Wellenleiter aus Luft konstruieren.

Nun kann man mit intensiven Laserstrahlen zwar auch Luft erhitzen. Aber normale, auch intensive Laserpulse eignen sich nicht, um die nötigen Dichteunterschiede in Luft zu erzeugen. Die Forscher mussten deshalb etwas tiefer in die Trickkiste greifen. Intensive und ultrakurze Laserpulse von nicht einmal einer billionstel Sekunde Dauer unterliegen in Luft einem speziellen selbstfokussierenden Effekt, der dafür sorgt, dass sie sich zu scharfen Filamenten zusammenziehen. Diese ultrakurzen so genannten Femtosekundenlaserpulse können selbst nicht allzu viel Energie übertragen. In dem schmalen Bereich, in dem sie die Luft durchschneiden, ist ihre Intensität allerdings so hoch, dass sie die Luft dort ionisieren und aufheizen können.

Filamente sorgen für den richtigen Brechungsindex

Ein einzelnes solches Filament erhöht dabei entlang seiner Strecke allerdings die Dichte der Luft nicht, sondern verringert sie. Damit funktioniert er wie eine Art "Antiwellenleiter", der das Licht streut. Die Forscher versuchten deshalb, mehrere solcher Filamente in einem Bündel symmetrisch entlang einer Achse zu fokussieren. Dies gelang ihnen sowohl mit vier als auch mit acht Laserpulsen, die exakt justiert und zeitlich sehr genau abgestimmt sein mussten. "Den Strahl mit acht Filamenten stabil und reproduzierbar zu erzeugen, hat uns eine Menge Arbeit gekostet", sagt Milchberg.

Wenn nun jedes der acht Filamente die Luft entlang seiner Achse aufheizt und dadurch eine kurze Druckwelle erzeugt, so verdichtet sich die Luft im Zentrum des Strahlenbündels – womit im Prinzip die gleichen Bedingungen wie in einem Glasfaserkabel vorliegen. Jedoch sind die "Luftfaserkabel" nicht ganz so langlebig: Die von den Filamenten angestoßenen Druckwellen halten nur wenige millionstel Sekunden an. Bis sich schließlich die Druckunterschiede ausgleichen, dauert es nochmals einige tausendstel Sekunden.

Nur innerhalb dieser kurzen Zeitspanne funktioniert das Luftfaserkabel. Da jedoch Licht so enorm schnell ist, könnte das für viele potenzielle Anwendungen vollkommen ausreichen.

Starke Laserpulse scharf gebündelt ins Ziel

So spekulieren Milchberg und Kollegen beispielsweise darüber, ob sich mit Hilfe des Luftfaserkabels sehr starke Laserpulse auf ein bestimmtes Ziel senden lassen. Laserlicht ist zwar sehr scharf gebündelt. Aber auch starke Pulse erfahren eine gewisse Streuung in der Luft und weiten sich dadurch auf. Mit Hilfe ihres Luftwellenleiters ließe sich sehr viel mehr und effizienter Energie in die gewünschte Region bringen.

Die zweite Klasse von Anwendungen funktioniert in die umgekehrte Richtung. Wenn man schwache Lichtsignale aus größerer Entfernung aufnehmen will, die in alle Richtungen gleichermaßen abstrahlen, so kommt nur ein geringer Teil dieses Lichts beim Empfänger an. Das liegt daran, dass sich die Wellenfront des Lichts über eine quadratisch anwachsende Fläche ausbreitet und die Intensität des Signals entsprechend sinkt. Üblicherweise benötigt man in solchen Fällen große, teure Optiken und eine Kamera mit hoher Verstärkung – oder man sieht gar nichts. Wenn es nun gelänge, ein Luftfaserkabel bis zur Quelle hin zu legen, würde man damit das Objekt quasi nahe an sich heranholen, so dass die Messungen sehr viel einfacher werden.

"Wir konnten in den letzten Monaten für beide Arten von Problemen die prinzipielle Machbarkeit zeigen", sagt Milchberg. Noch bleibt aber viel Arbeit zu tun: Im Labor klappt die Übertragung bisher lediglich über eine Strecke von einem Meter. Dabei konnten die Forscher Signalverstärkungen von rund 50 Prozent erzielen. Dies klingt nicht nach viel; allerdings ist das Ursprungssignal auf so kurze Distanz noch sehr stark, deshalb ist keine bedeutende Verstärkung zu erwarten. Außerdem sind die Signalverluste auf dem ersten Meter am stärksten. Als Nächstes wollen die Forscher nun größere Strecken von 50 bis 100 Metern angehen. Nach theoretischen Abschätzungen sollte das Signal auf den letzten 99 Metern nur noch ein Viertel seiner Stärke einbüßen. Damit würden Verstärkungsfaktoren bis zu 10 000 erreichbar.

Solche Luftfaserkabel könnten eines Tages vielleicht der Langstreckenkommunikation dienen. Die Forscher denken auch an verbesserte Auflösungen beim LIDAR – eine Art Radar mit sichtbarem Licht. Mit einem solchen System ließen sich im Prinzip aber auch Laserwaffen bauen, die sehr viel mehr Energie ins Ziel bringen als bisherige Systeme. Ebenso könnte man Luftfaserkabel an Stellen "verlegen", die für herkömmliche Kabel zu heiß sind, etwa im Innern von Kernreaktoren oder bei manchen chemischen Reaktionen.