Laserstrahlen per Schall gelenkt

Unsichtbare Barrieren: Physiker haben eine Methode entwickelt, um starke Laserstrahlen nur mit Luft berührungsfrei zu lenken und zu kontrollieren – statt mit Linsen oder Spiegeln wie normalerweise üblich. Dafür erzeugen starke Speziallautsprecher Ultraschall-Wellen, deren dichte und weniger dichte Luftzonen wie Spiegel wirken und die Laserstrahlen ablenken. Dies erlaubt die Kontrolle selbst von Lasern mit mehr als 20 Gigawatt Leistung, die normale Optiken oft durch ihre Intensität schädigen oder zerstören.

Ob beim Laserschneiden, bei der Kernfusion mittels Laser oder in kompakten Laserbeschleunigern: In vielen Anwendungen der Lasertechnik wird gebündeltes Licht in extrem hoher Intensität benötigt, die dafür eingesetzten Laser haben oft Leistungen von mehr als 20 Gigawatt. Das Problem jedoch: Diese Laser sind so stark, dass sie auch das Material der Linsen und Spiegel schädigen, die für die Kontrolle ihres Strahls benötigt werden.

Ultraschall als Laserbarriere

Abhilfe könnte nun eine berührungslose Laserkontrolle schaffen, bei der der Laserstrahl buchstäblich von Luft gelenkt und gespiegelt wird. Möglich ist dies, weil sich unterschiedlich dichte Luftschichten in ihrem Lichtbrechungsverhalten unterscheiden. Die Grenzen zwischen ihnen können daher wirken wie ein Spiegel oder eine Linse. Das Team um Yannick Schrödel vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und dem Helmholtz-Institut Jena hat nun solche Dichtegrenzen künstlich erzeugt – mithilfe von Schall.

Für ihr Experiment verwendeten die Physiker Speziallautsprecher, die starke Ultraschallpulse erzeugten, die von einem Reflektor zurückgeworfen wurden. „Wir bewegen uns bei einem Schallpegel von etwa 140 Dezibel, das entspricht einem Düsentriebwerk in wenigen Metern Entfernung“, erläutert Seniorautor Christoph Heyl vom DESY. „Zum Glück befinden wir uns im Ultraschallbereich, den unsere Ohren nicht wahrnehmen.“ Die Schallwellen bilden dabei ein dichtes Wellenfeld aus schmalen, abwechselnd dichten und dünneren Luftzonen.

Lichtbeugung an Dichtewellen der Luft

Durch dieses Schallwellenfeld strahlte das Team dann Pulse eines starken Infrarotlasers von bis zu 20 Gigawatt Leistung. Dessen Strahl wird von den Dichtewellen der Luft gebeugt. „Wir erzeugen ein optisches Gitter mit Hilfe akustischer Dichtewellen“, erklärt Schrödel. „Die Eigenschaften des optischen Gitters lassen sich über die Frequenz und die Intensität, also die Lautstärke, der Schallwellen beeinflussen.“

Der große Vorteil: Das unsichtbare optische Gitter aus Luft ist nicht nur immun gegen Beschädigungen durch den Laserstrahl, sondern erhält auch dessen Strahlqualität, wie die ersten Tests ergaben. Im Experiment konnten die Physiker ihren Laserstrahl mithilfe ihrer berührungsfreien Schallbarrieren erfolgreich ablenken, die Effizienz lag dabei bei rund 50 Prozent. Wie Schrödel und seine Kollegen erklären, könnten in Zukunft aber noch deutlich höhere Effizienzen möglich sein.

Bessere Kontrolle für Hochleistungslaser

Das Team sieht in der Technik großes Potenzial für die Hochleistungsoptik. Denn das Prinzip der akustischen Kontrolle von Laserlicht in Gasen ist nicht auf Raumluft beschränkt, sondern kann auch in anderen Gasen eingesetzt werden. Zudem lassen sich voraussichtlich auch andere optische Elemente wie Linsen und Wellenleiter mithilfe von Schallfeldern umsetzen, wie Schrödel und sein Team erklären. Anwendungen sehen sie unter anderem bei der Materialbearbeitung mit Hochleistungslasern, in der Laserfusion oder in Teilchenbeschleunigern.

„Das Potenzial der berührungslosen Kontrolle von Licht und deren Erweiterung auf andere Anwendungen lässt sich derzeit nur erahnen“, sagt Heyl. „Die moderne Optik beruht fast ausschließlich auf der Interaktion von Licht mit fester Materie. Unser Ansatz eröffnet eine völlig neue Richtung.“ Das Team hat seine Methode bereits zum Patent angemeldet. (Nature Photonics, 2023; doi: 10.1038/s41566-023-01304-y)

Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY