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Sonntag, 04.12.2016
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Forscher erzeugen Monsterwellen aus Licht

Edelgas-Turbulenzen lassen Laserstrahlen zu kurzen Lichtblitzen verschmelzen

Von den Ozeanen kennt man Monsterwellen - gewaltige, scheinbar aus dem Nichts entstehende Wellenberge. Jetzt haben Forscher solche Monsterwellen auch aus Licht erzeugt. Bestimmte Turbulenzen in einer Edelgaskammer lassen dabei parallele Laserstrahlen kurzzeitig verschmelzen. Dabei entstehen isolierte Lichtblitze, die zehnmal stärker sind als normal, wie die Forscher im Fachmagazin "Physical Review Letters" berichten.
Die optische Monsterwelle taucht innerhalb von einer Hundertstelsekunde auf und verschwindet ebenso schnell wieder.

Die optische Monsterwelle taucht innerhalb von einer Hundertstelsekunde auf und verschwindet ebenso schnell wieder.

Ob beim Wetter, im Wellenschlag des Meeres oder in der Spannbreite der individuellen Variation von Tieren und Pflanzen: In der Natur folgt vieles der Normalverteilung: Extreme Ausreißer sind extrem selten, das Mittelmaß kommt dagegen mit Abstand am häufigsten vor. Doch es gibt Ausnahmen von dieser Glockenkurve der Zufallsverteilung: Vor allem beim Wetter treten einige extrem starke und zerstörerische Ereignisse häufiger auf als sie es im Verhältnis zu schwachen und mittleren Varianten dürften.

Beispiele für solche Ausnahme-Erscheinungen sind unerwartet starke Stürme, aber auch das Auftreten von sogenannten Monsterwellen im Meer. Von solchen Monsterwellen berichten Seeleute seit Jahrhunderten. Schiffe im Ozean werden dabei von einzelnen, mehr als 30 Meter hohen Wellen überrascht. So entkam das Kreuzfahrtschiff MS Bremen im Februar 2001 nur mit Glück einer 35 Meter hohen Monsterwelle vor der Küste von Südamerika. Hochrechnungen ergaben, dass etwa jede 10.000 Einzelwelle eine solche Freak Wave sein könnte. Was sie jedoch genau auslöst, ist bisher nur teilweise erforscht.

Lichtmonster aus verschmelzenden Laserstrahlen


Vor fünf Jahren entdeckten Physiker durch Zufall, dass auch bei der Ausbreitung von Lichtwellen ein ähnliches Phänomen auftreten kann. In einer Glasfaser kann sich ebenfalls die Intensität einzelner Wellen aufschaukeln, es erscheinen dann kleine helle Flecken entlang des Strahlenweges. Simon Birkholz vom Max-Born-Institut (MBI) in Berlin und seine Kollegen erforschen seitdem, wie und wann solche optischen Monsterwellen auftreten. Sie haben dafür eigenes ein spezielles optisches System entwickelt.


Laser

Laser

Dabei leiten die Forscher ein Bündel hochintensiver paralleler Laserstrahlen durch eine Zelle mit Xenon-Gas. Mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeits-Kamera verfolgen sie, was dabei geschieht. 'Wie sich zeigt, können bestimmte Turbulenzen im Gas dazu führen, dass die Einzelstrahlen des Bündels kurzzeitig verschmelzen. Das Prinzip gleicht damit dem der Meereswellen. Denn auch dort vermuten Forscher, dass sich kleinerer Wellenmuster kurzzeitige so überlagern, dass sie sich gegenseitig aufschaukeln.

Zehnfach stärker als normal


Dadurch entstehen mit bloßem Auge beobachtbare Lichtblitze - Lichtwellen mit extremer Intensität. Diese extremen Lichtblitze sind Sonderlinge: Vor und nach ihnen geht der Strahl ganz normal weiter, als wäre nichts geschehen. "Sie sind isoliert in Raum und Zeit", konstatieren die Forscher. Ausgelöst werden sie auf kleinstem Raum, wenn das Gas Photonen absorbiert und dadurch kurzeitig und lokal begrenzt ein Plasma entsteht.

Wie die Physiker berichten, können diese Monsterwellen aus Licht sogar noch extremer werden als ihre marinen Vorbilder: Meereswellen gelten bereits als Monsterwellen, wenn sie die signifikante Wellenhöhe um einen Faktor zwei überschreiten. Im optischen System können die Lichtblitze dagegen sogar um den Faktor zehn stärker sein als die normalen Lichtwellen. (Physical Review Letters, 2013; doi: 10.1103/PhysRevLett.111.243903)
(Forschungsverbund Berlin e.V., 30.12.2013 - NPO)
 
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