Optische „Rauchringe“ im Laserstrahl entdeckt

Überraschende Entdeckung: Physiker haben bei Laserstrahlen zuvor unbekannte optische Wirbel entdeckt. Diese ringförmigen Energiewirbel bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit entlang des Strahls. Im Gegensatz anderen bekannten Lasermodulationen entstehen diese Wirbel nicht durch Polarisation, sondern durch wellenartige Modulation der Lichtphase. Diese optischen „Rauchringe“ könnten eine Vielzahl von Anwendungen eröffnen, berichten die Forscher im Fachmagazin „Physical Review X“.

In einem Laserstrahl bewegen sich die Photonen gewissermaßen im Gleichschritt: Sie alle haben die gleiche Wellenlänge und Phase. Außerdem ist das Licht im Strahl nahezu parallel, weshalb der Laserstrahl auch über größere Entfernungen hinweg kaum ausfasert. Allerdings lassen sich gerade bei energiereichen Strahlen auch Wirbel im Licht erzeugen: Der sogenannte Bahndrehimpuls dreht den Strahl korkenzieherartig um sich selbst – was beispielsweise zum Kodieren von Informationen genutzt werden kann.

Optische „Rauchringe“

Jetzt haben Howard Milchberg von der University of Maryland und seine Kollegen eine weitere bisher unbekannte Wirbelform im Laserstrahl entdeckt. Bei leistungsstarken Lasern bilden sich ringförmige Bereiche der Phasenrotation entlang des Strahls. In diesen Doughnut-förmigen Zonen bewegt sich die Lichtenergie kreisförmig von innen nach außen und wieder zurück.

„Das ist wie ein Rauchring, der sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt“, erklärt Milchberg. Diese sogenannten Spatiotemporal Optical Vortices (STOV) entstehen, weil sehr energieintensive Laserstrahlen wie Linsen wirken und sich selbst im Strahlverlauf fokussieren können. Dadurch bilden sich unter bestimmten Bedingungen subtile Phasenverschiebungen zwischen Strahlzentrum und Peripherie.

Die Spatiotemporal Optical Vortices (STOV) ähneln ringförmigen Wirbeln, die mit Lichtgeschwindigkeit mit dem Strahl mitwandern. © Howard Milchberg

Universell vorhanden – aber bisher übersehen

Erreicht diese Phasenverschiebung zwischen außen und innen 180 Grad, bilden sich an der Grenze zwischen Zentrum und Strahlperipherie ein solcher optischer Ringwirbel, wie die Physiker erklären. Sie gehen davon aus, dass diese optischen „Rauchringe“ in allen leistungsstarken Laserstrahlen vorhanden sind – aber einfach bisher nicht entdeckt wurden.

„Laser werden seit Jahrzehnten erforscht und nun stellt sich heraus, dass diese Ringe die ganze Zeit vor unserer Nase waren“, sagt Milchberg. „Dies ist ein robustes, spontanes Merkmal, das immer vorhanden ist.“ Die Existenz der STOVs könnte möglicherweise bestimmte bisher rätselhafte Eigenschaften und Phänomene bei Hochleistungslasern erklären.

Ganz neue Anwendungen

Bisher waren solche Wirbelringe nur aus der Akustik und der Strömungsdynamik bekannt – sie entstehen zum Beispiel dort, wo schnelle und langsame Strömungen aufeinander treffen. In der Optik jedoch war dieser Typ von Wirbeln bisher unbekannt. Noch müssen die genauen Eigenschaften dieser ringförmigen Lichtwirbel näher erforscht werden, die Forscher sehen in ihnen jedoch große Chancen für neue Anwendungen.

„Diese Rauchring-Wirbel könnte sogar noch mehr Anwendungen haben als die bisher bekannten optischen Wirbel“, erklärt Erstautor Nihal Jhajj von der University of Maryland. „Denn sie sind zeitlich dynamisch, sie bewegen sich mit dem Strahl mit.“ Dadurch könnte man diese Ringe beispielsweise nutzen, um Partikel auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.

Die neu entdeckten Lichtwirbel könnte aber auch dazu dienen, bessere Mikroskope zu entwickeln und die Bandbreite optischer Kommunikation zu erhöhen. Die Forscher arbeiten zurzeit daran, solche optischen Rauchringe auch mit Lasern niedrigerer Energie zu erzeugen. (Physical Review X, 2016; doi: 10.1103/PhysRevX.6.031037)

(University of Maryland, 12.09.2016 – NPO)