Monsterwellen aus Licht

Schnappschüsse einer optischen Monsterwelle. Die Welle taucht innerhalb von einer Hundertstelsekunde ohne Vorankündigung auf und verschwindet ebenso schnell wieder. MBI<br>

Sie benutzen dafür eine Gaszelle, in der Turbulenzen zur kurzzeitigen Verschmelzung von einzelnen Lichtstrahlen zu starken Lichtblitzen führen. Die Arbeit wurde im Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht.

Zufällige Ereignisse in der Natur unterliegen oft einer sogenannten Normalverteilung, die es erlaubt, die Wahrscheinlichkeit extremer Ereignisse zuverlässig vorauszusagen. Es gibt nun insbesondere in der Meteorologie eine Reihe von Prozessen, bei denen extrem starke und zerstörerische Ereignisse häufiger auftreten als sich aus langjähriger Beobachtung schwächerer Ereignisse vorhersagen ließe. Beispiele hierfür sind unerwartet starke Stürme oder andere Extremwetterereignisse, ein weiteres das Auftreten von sogenannten Monsterwellen im Meer.

Vor 5 Jahren wurde nun qualitativ ähnliches Verhalten bei der Propagation von intensiven Lichtimpulsen durch eine Glasfaser beobachtet, also in einem völlig unterschiedlichen physikalischen System. Da die Beobachtung extremer Impulsenergien in diesem System verhältnismäßig wenig Aufwand erfordert, hat diese Beobachtung ein eigenes Forschungsgebiet über „optische Monsterwellen“ initiiert.

In einer bei Physical Review Letters erschienenen Arbeit stellen Forscher des Max-Born-Instituts ein neues optisches System vor, in dem Monsterwellen auftreten. Anders als in allen Vorgängerarbeiten ist dieses Phänomen durch atmosphärische Turbulenz in einer Gaszelle verursacht, also eine Art Sturm im Reagenzglas und somit durch ein mikroskopisches meteorologisches Phänomen. Wird in einer solchen Zelle ein Bündel hochintensiver paralleler Lichtstrahlen (sogenannte Filamente) erzeugt, so kann die Turbulenz zur kurzzeitigen Verschmelzung von Einzelstrahlen führen, die mit dem bloßen Auge beobachtbare Lichtblitze erzeugt.

Eine genaue Analyse der experimentellen Daten zeigt, dass die statistische Verteilung dieser Lichtblitze viel extremer ist als jene von meteorologischen Ereignissen. Meereswellen gelten bereits als Monsterwellen, wenn sie die signifikante Wellenhöhe um einen Faktor zwei überschreiten. Im optischen System treten hingegen sogar Lichtblitze auf, die die charakteristische Intensität um einen Faktor 10 übertreffen, also wirklich raues optisches Wetter.

Ansprechpartner:

Dr. Günter Steinmeyer
Max-Born-Institut (MBI)
Max-Born-Str. 2A, 12489 Berlin
Tel.: 030 / 6392-1440
Simon Birkholz, Erik T. J. Nibbering, Carsten Brée, Stefan Skupin, Ayhan Demircan, Goëry Genty, and Günter Steinmeyer, „Spatiotemporal Rogue Events in Optical Multiple Filamentation,“ Physical Review Letters 111, 243903 (2013)

doi: 10.1103/PhysRevLett.111.243903

Das Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), einem Zusammenschluss von acht natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. In ihnen arbeiten mehr als 1.500 Mitarbeiter. Die vielfach ausgezeichneten Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft. Entstanden ist der Forschungsverbund 1992 in einer einzigartigen historischen Situation aus der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR.

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Karl-Heinz Karisch Forschungsverbund Berlin e.V.

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