Wirbelsturm im Laserlabor

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.

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