Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wirbelsturm im Laserlabor

27.08.2012
Physiker der Universität Jena publizieren in „Nature Physics“ über optische Strudel

Es ist ein physikalisches Phänomen, das sich leicht beobachten lässt – am einfachsten in einer gut gefüllten Badewanne. Sobald der Stöpsel gezogen wird, beginnt das Wasser in kreisförmiger Bewegung abzufließen und bildet einen Strudel.


Hier beobachtet der Jenaer Physiker Michael Zürch das Argon-Plasmaleuchten in einer Erzeugungskammer. Das Edelgas Argon wird dabei mit einem Femtosekundenlaser beschossen, es entstehen sogenannte optische Wirbel.
Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

Wie in einem Trichter bewegt sich die Flüssigkeit gleichmäßig um eine gedachte Mittelachse. Strudel oder Wirbel lassen sich aber nicht nur in Flüssigkeiten beobachten: zahlreiche Wetterphänomene wie Wirbelstürme oder Windhosen zeigen eindrücklich, dass sich auch Gase ordentlich verwirbeln lassen.

„Weit weniger bekannt sind dagegen Wirbel in der Optik“, sagt Prof. Dr. Christian Spielmann von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Aber“, so macht der Inhaber des Lehrstuhls für Quantenelektronik deutlich, „auch Laserlicht kann Wirbel bilden.“ Gemeinsam mit Kollegen des Jenaer Uni-Instituts für Optik und Quantenelektronik, des Helmholtz-Instituts und des Abbe Center of Photonics in Jena sowie der Universität Sofia hat Spielmann gerade im renommierten Fachblatt „Nature Physics“ eine Studie zu diesem bisher wenig bearbeiteten Forschungsfeld veröffentlicht (DOI: 10.1038/NPHYS2397).

„Bei optischen Wirbeln aus Laserlicht handelt es sich um ringförmige Laserstrahlen, deren Intensität in der Mitte des Strahls Null wird“, erläutert Doktorand Michael Zürch. Diese Mitte, die Physiker Singularität nennen, könne man sich als den Abfluss in der Badewanne oder das Auge des Wirbelsturms vorstellen. „Wie ein Korkenzieher verläuft die Wellenfront der Laserstrahlung um diesen Mittelpunkt herum“, so Zürch, der Erstautor der aktuellen Publikation. Für optische Wirbel sei eine Reihe von Anwendungen denkbar, etwa als „Laserpinzette“ zur Manipulation winziger Teilchen, zur Teilchenbeschleunigung aber auch zur optischen Nachrichtenübertragung.
Eine wichtige Voraussetzung für diese Anwendungen ist allerdings, dass die optischen Wirbel stabil sind. Um die Stabilität ihrer Laserwirbel zu testen, haben die Jenaer Physiker wirbelnde Laserpulse durch Argon-Gas geschickt. Das Gas wird durch den Laser ionisiert und setzt einen Prozess in Gang, der die Wellenlänge des Laserlichts vom infraroten in den Bereich der Röntgenstrahlung verschiebt. Wie sie anschließend feststellten, ist auch der resultierende Röntgenstrahl ein optischer Wirbel. „Die Laserwirbel erweisen sich damit als deutlich stabiler, als wir dachten“, bilanziert Prof. Spielmann.

Der Physiker und sein Team machten außerdem noch eine weitere interessante Beobachtung, wie sie in ihrer aktuellen Veröffentlichung schreiben: Im starken elektromagnetischen Feld entstehen sogenannte Oberwellen – das sind Vielfache der Grundfrequenz des Laserstrahls – die die ursprüngliche Laserfrequenz überlagern. Bisher war bekannt, dass die Wirbel bei der zweiten und dritten Oberwelle, eine zwei- bzw. dreifache Drehgeschwindigkeit aufweisen. „Wir haben nun erstmals sehr hohe Oberwellen untersuchen können, nämlich Wellen 23. Ordnung“, sagt Michael Zürch. Diese hätten, so die bisherige Theorie, 23 Mal so schnell wie der Ausgangspuls wirbeln müssen. „Das ist aber nicht der Fall.“ Stattdessen rotieren Oberwellen der 23. Ordnung mit exakt derselben Geschwindigkeit wie der ursprüngliche Laserpuls.

Mit diesen durch mehrere unabhängige Messungen bestätigten Ergebnissen erstaunen die Jenaer Wissenschaftler derzeit die gesamte Fachwelt. „Diese Beobachtungen stehen im Widerspruch zu den bisherigen theoretischen Vorhersagen“, so Physiker Spielmann. Die neuen Erkenntnisse seien nicht nur für die weitere Erforschung optischer Wirbel relevant, sondern lassen sich prinzipiell auch auf andere physikalische Phänomene, bei denen Wirbel eine Rolle spielen, übertragen.

Original-Publikation:
M. Zürch, C. Kern, P. Hansinger, A. Dreischuh and Ch. Spielmann: Strong-field physics with singular light beams, Nature Physics 2012, DOI: 10.1038/NPHYS2397

Kontakt:
Michael Zürch, Prof. Dr. Christian Spielmann
Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947213, 03641 / 947230
E-Mail: michael.zuerch[at]uni-jena.de, christian.spielmann[at]uni-jena.de

Ute Schönfelder | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-jena.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Materiezustände durch Licht verändern
12.10.2018 | Universität Hamburg

nachricht Neuartiger topologischer Isolator
12.10.2018 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Chemiker der Universitäten Rostock und Yale zeigen erstmals Dreierkette aus gleichgeladenen Ionen

Die Forschungskooperation zwischen der Universität Yale und der Universität Rostock hat neue wissenschaftliche Ergebnisse hervorgebracht. In der renommierten Zeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten die Wissenschaftler über eine Dreierkette aus Ionen gleicher Ladung, die durch sogenannte Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. Damit zeigen die Forscher zum ersten Mal eine Dreierkette aus gleichgeladenen Ionen, die sich im Grunde abstoßen.

Die erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen den Professoren Mark Johnson, einem weltbekannten Cluster-Forscher, und Ralf Ludwig aus der Physikalischen Chemie der...

Im Focus: Storage & Transport of highly volatile Gases made safer & cheaper by the use of “Kinetic Trapping"

Augsburg chemists present a new technology for compressing, storing and transporting highly volatile gases in porous frameworks/New prospects for gas-powered vehicles

Storage of highly volatile gases has always been a major technological challenge, not least for use in the automotive sector, for, for example, methane or...

Im Focus: Materiezustände durch Licht verändern

Forscherinnen und Forscher der Universität Hamburg stören die kristalline Ordnung

Physikerinnen und Physikern der Universität Hamburg ist es gelungen, mithilfe von Laserpulsen die Ordnung von Quantenmaterie so zu stören, dass ein spezieller...

Im Focus: Disrupting crystalline order to restore superfluidity

When we put water in a freezer, water molecules crystallize and form ice. This change from one phase of matter to another is called a phase transition. While this transition, and countless others that occur in nature, typically takes place at the same fixed conditions, such as the freezing point, one can ask how it can be influenced in a controlled way.

We are all familiar with such control of the freezing transition, as it is an essential ingredient in the art of making a sorbet or a slushy. To make a cold...

Im Focus: Neuartiger topologischer Isolator

Erstmals haben Physiker einen topologischen Isolator gebaut, in dem nicht Elektronen oder Licht fließen, sondern Teilchen aus Licht und Materie. Ihre Neuerung präsentieren sie in „Nature“.

Topologische Isolatoren sind Materialien mit sehr speziellen Eigenschaften. Sie leiten elektrischen Strom oder Lichtteilchen nur an ihrer Oberfläche oder an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

PV Days in Halle zeigen neue Chancen für die Photovoltaik

11.10.2018 | Veranstaltungen

Methan als umweltfreundlicher Kraftstoff für LKW, Busse und andere Nutzfahrzeuge

10.10.2018 | Veranstaltungen

Schlaf ist Medizin: Neue Erkenntnisse aus der Schlafforschung

08.10.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Chemiker der Universitäten Rostock und Yale zeigen erstmals Dreierkette aus gleichgeladenen Ionen

15.10.2018 | Biowissenschaften Chemie

Bio-Angeln für Seltene Erden: Wie Eiweiß-Bruchstücke Elektronik-Schrott recyceln

15.10.2018 | Biowissenschaften Chemie

Sauber trennen: Neuer Klebstoff für besseres Recycling

15.10.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics