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News: Schnurgerade auf langen Wegen

Wenn ein Lichtstrahl Materie durchläuft, dann weitet er auf. Selbst der Durchmesser eines Laserstrahls ist deshalb nach einigen Metern ein wenig größer als direkt an seiner Quelle. Nachdem Forscher mit ultrakurzen, hochenergetischen Laserpulsen bereits in Luft zeigen konnten, dass Licht auch einen gleichbleibend dünnen Strahl bilden kann, gelang ihnen das nun auch in festem Material.
Nur im Vakuum erreicht Licht seine Höchstgeschwindigkeit von 299 792 458 Metern pro Sekunde; in Materie ist sie kleiner. Der Brechungsindex ist ein Maß dafür, wie groß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit im betrachteten Medium im Vergleich zu der im Vakuum ist. Jedoch ist auch diese Größe nicht konstant, vielmehr hängt sie von der Intensität des Lichtstahls ab.

Diese Abhängigkeit führt dazu, dass sich der Strahl in Luft selbst fokussieren kann, denn in der Regel ist die Lichtintensität und damit auch der Brechungsindex in der Mitte eines Lichtstrahls am größten. So wirkt das Medium wie eine Sammellinse und bündelt den Strahl, was den Effekt noch verstärkt.

Auf der anderen Seite kommt es aufgrund der hohen Lichtintensität zur Ionisation von Luftmolekülen, was nun den Brechungsindex verringert. Beide Effekt konkurrieren miteinander, sodass ein dynamisches Gleichgewicht entsteht und der Lichtstrahl wie in einem Glasfaserkabel geleitet wird, wobei der Durchmesser des Strahls auf einer größeren Strecke konstant bleibt.

Nun ist in der Regel die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Lichtintensität gering, sodass es in der Luft beispielsweise einer Strahlungsleistung von mehreren Gigawatt bedarf, um den Effekt auszulösen. Nichtsdestotrotz konnten Forscher Mitte der neunziger Jahre beobachten, wie ultrakurze Lichtblitze von 200 Femtosekunden einige Dutzend Meter durch das Labor zuckten, ohne dass sich ihr Strahl aufweitete.

"Die Frage war: Gibt es ein ähnliches Phänomen auch in Festkörpern?" erinnert sich Stelios Tzortzakis von der École Nationale Supérieure de Techniques Avancées in Palaiseau. Da die optische Dichte von fester Materie tausendmal größer ist als von Luft, war dies längst nicht selbstverständlich. Zwar gelang das Experiment schlussendlich, doch mussten die Forscher dazu einige technische Hürden nehmen und sich müheselig an die richtigen Versuchsparameter herantasten.

So stellte sich heraus, dass eine Laserleistung nötig war, welche den kritischen Wert zur Selbstfokussierung um das dreifache übertraf – also 6,9 Megawatt. Die Laserpulse mussten bei einer Wellenlänge von 800 Nanometern 180 Femtosekunden andauern und mit einer Linse genau auf die Oberfläche der Glasprobe fokussiert werden. Damit sich das Material dabei nicht zu stark aufheizte und sich die optischen Eigenschaften veränderten, schoben es die Forscher mit kleinen Motoren vor dem Laserstrahl hin und her.

Schließlich konnten die Wissenschaftler aber mit einer CCD-Kamera die Form und die Dauer eines schnurgeraden Lichtpulses messen. Die experimentellen Daten fütterten sie anschließend in ein Computermodell und heraus kam, dass sich der Mechanismus im Festkörper wohl nicht sonderlich von dem in Luft unterscheidet – also Selbstfokussierung und Ionisation die tragende Rolle spielen. Vielleicht lässt sich diese Erkenntnis einmal dazu nutzen, Komponenten eines rein optischen Computers zu bauen, der viel schneller als heutige Rechner Daten verarbeiten könnte.

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