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Nichtlineare Optik Das Licht auf Abwegen

Licht breitet sich stets geradlinig aus, so sollte man meinen. Wird es mit Hologrammen erzeugt, dann läuft es plötzlich um die Kurve, ohne dass irgendwelche Kräfte wirken.

© jb-systems-lounge-laser/www.party-lichteffekte.de Ein Lichtstrahl kann auch auf gekrümmten Bahnen laufen.

Obwohl uns als Naturphänomen sehr vertraut, steckt das Licht voller Überraschungen. So breitet sich ein Lichtstrahl gewöhnlich geradlinig aus. Das ändert sich, wenn er auf einen gespannten Draht trifft. Dann erscheinen im Schatten des Drahtes links und rechts von der Ausbreitungsrichtung feine, helle parallele Linien. Diese kommen dadurch zustande, dass die Lichtwellen in den Schattenbereich eindringen und dort miteinander interferieren. Lichtstrahlen können offenkundig auch dann von der geraden Bahn abweichen, wenn keine Hindernisse oder Kräfte auf sie wirken. Das haben jetzt Forscher von der University of California in Berkeley experimentell gezeigt.

Kurve, Parabel oder Ellipse

Zur Vorbereitung ihres Experiments haben Xiang Zhang und seine Mitarbeiter berechnet, wie das elektromagnetische Wellenfeld eines Lichtstrahls beschaffen sein müsste, damit dieser eine gekrümmte Kurve etwa in der Form einer Parabel, einer Ellipse oder eines Kreises beschreibt. Dabei griffen sie auf Überlegungen des britischen Theoretikers Michael Berry und seines ungarischen Kollegen Nandor Balazs aus dem Jahre 1979 zurück. Die beiden Forscher hatten herausgefunden, dass unter bestimmten Bedingungen die Wellenberge und -täler der quantenmechanischen Wellenfunktion eines Teilchens beschleunigt vorankommen können, obwohl keinerlei Kräfte wirken.

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Die Wellenfunktion müsste dabei die Gestalt einer sogenannten Airy-Funktion besitzen, mit der der englische Mathematiker und Astronom George Airy (1801 bis 1892) Lichtwellen in der Nähe einer Brennlinie oder Kaustik beschrieben hatte. Für die verblüffende Vorhersage von Berry und Balazs steht allerdings die experimentelle Bestätigung noch aus, da es äußerst schwierig ist, Wellenfunktionen mit den erforderlichen Eigenschaften zu präparieren.

Neben den quantenmechanischen Wellen gibt es noch weitere Wellen in der Natur, die sich ebenfalls ohne Krafteinwirkung beschleunigt bewegen können. So hatten einige Forscher berechnet, dass die zu einem Strahl gebündelten Lichtwellen, die auf der Airy-Funktion beruhen, nach kurzer Wegstrecke aus der eigentlichen Strahlrichtung ausscheren, so als würde sie eine Kraft aus der Bahn werfen. Allerdings weitet sich der Strahl dabei stark auf, so dass seine Ablenkung kaum experimentell zu beobachten wäre.

Gekrümmter Lichtstrahl, Simulation © Xiang Zhang, Berkeley Vergrößern Gekrümmter Lichtstrahl in der Simulation

Licht mit selbstheilenden Fähigkeiten

Anfang dieses Jahres erbrachten Forscher um Mordechai Segev vom Technion in Haifa den rechnerischen Beweis, dass ein Lichtstrahl von selbst eine 90-Grad-Kurve nehmen kann, ohne dabei merklich auseinanderzulaufen (“Physical Review Letters“, doi: 10.1103/PhysRevLett.108.163901). Der gekrümmte Strahl, dessen Lichtwelle auf einer Verallgemeinerung der Airy-Funktion beruht, hat den Berechnungen zufolge noch eine weitere ungewöhnliche Eigenschaft. Wird ihm ein Objekt in den Weg gestellt, so zeigt er „selbstheilende“ Fähigkeiten: Er läuft nicht auseinander, sondern setzt hinter dem Hindernis seine Bahn ungestört fort, so als wäre dieses nicht vorhanden gewesen.

Auf gekrümmten Bahnen

Kürzlich haben die kalifornischen Forscher um Xiang Zhang berechnet, dass solche selbstheilenden Lichtstrahlen auf unterschiedlich gebogenen Bahnen verlaufen können. Je nach Form der elektromagnetischen Wellen, aus denen der Strahl besteht, folgt dieser einem Parabel-, einem Ellipsen- oder einem Kreisbogen. Dabei kann der Strahl sogar fast seine Ausbreitungsrichtung umkehren. Dass ihre Berechnungen nicht nur „graue“ Theorie sind, haben Xiang Zhang und seine Kollegen nun auch mit einem Experiment demonstriert (“Physical Review Letters“, doi: 10.1103/PhysRevLett.109.193901).

Gekrümmter Lichtstrahl, Experiment © Xiang Zhang, American Physical Society Vergrößern Gekrümmter Lichtstrahl im Experiment

Am Hologramm gespiegelt

Die Physiker stellten die gekrümmten Strahlen her, indem sie grünes Laserlicht an einem Hologramm reflektieren ließen. Das Hologramm war ein extrem feines und kompliziertes Hell-Dunkel-Muster auf der Oberfläche eines optischen Modulators, dessen Pixel von einem Computer aus gesteuert wurden. Die Wellen des Laserlichts wurden vom Hologramm so geformt, dass sie sich zu einem gekrümmten Lichtstrahl überlagerten, der fast jeder gewünschten Bahn folgte. Den Weg des Strahls machten die Forscher dadurch sichtbar, dass sie ihn durch eine Suspension laufen ließen, die aus in Wasser gelösten, winzigen Polystyrolkügelchen bestand.

Aus grauer Theorie in die  Wirklichkeit

Je nach Art des Hologramms folgte die Bahn des reflektierten Lichtstrahls einige Zehntelmillimeter weit einer Parabel, einer Ellipse oder eines Kreises. Zudem hatte der Strahl die vorhergesagten „selbstheilenden“ Eigenschaften. Legte man ihm ein kleines lichtundurchlässiges Hindernis in den Weg, so wurde seine Ausbreitung zunächst blockiert. Doch die weiter außen liegenden Lichtwellen des Strahls griffen um das Hindernis herum und vereinigten sich zu einem neuen Strahl, der die ursprüngliche Bahn fortsetzte.

Weg zum optischen Bumerang

Zhang und seine Mitarbeiter sehen zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für die gebogenen Lichtstrahlen, etwa bei der Manipulation von mikroskopisch kleinen Teilchen mit Licht, das um die Ecke geht, oder in elektrooptischen Schaltkreisen beim Transport von Energie und Information auf komplizierten Bahnen. Eine Frage lässt den Forschern jedoch keine Ruhe: Kann man mit dem Verfahren auch einen „optischen Bumerang“ herstellen, bei dem das Licht auf einer geschlossenen Kurve zum Ausgangspunkt zurückkehrt? Auf der Suche nach einer Antwort müssen sie ihre Experimentierkünste wohl noch weiter vervollkommnen.

Quelle: F.A.Z.

 
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Veröffentlicht: 10.02.2013, 10:00 Uhr