Sie haben noch keinen Glasfaseranschluss? Macht nichts, Luft tut es auch. Zumindest für ein Team um den Elektroingenieur Andrew Goffin von der University of Maryland, College Park: Bereits 2021 schickten die Forscher einen Laserstrahl durch ihren Institutsflur und schmolzen in die knapp 50 Meter entfernte Wand ein Loch. Wie die Laserphysiker nun im Fachjournal Physical Review X berichten, wurde die Luft dabei praktisch zum Glasfaserkabel - mit Rekordlänge. 60-mal weiter als bisher blieb der Laser gebündelt.
Wozu aber braucht man ein Luftkabel für Laserstrahlen? "Ein Laser bleibt nicht ewig fokussiert", erklärt Stefan Karsch das Problem. Der Physiker erforscht an der Universität München die Entwicklung von Höchstintensitätslasern. "Der Witz ist es, das Auseinanderlaufen zu verhindern." Denn auch wenn sich Laserstrahlen durch Linsen bündeln lassen, verbreitert sich ihr Lichtkegel mit zunehmender Entfernung, wodurch die Intensität des Lichts pro Fläche absinkt. Man kennt das von Taschenlampen: Auf entfernte Objekte gerichtet werfen sie einen immer größeren Lichtkreis, bei abnehmender Helligkeit.
Üblicherweise verwendet man daher hauchdünne Glasfaserkabel als Lichtwellenleiter. Solche Glasfasern sind koaxial aufgebaut, das heißt, sie bestehen aus einem Kern und einem Mantel. Durch Einbringung weniger Fremdatome in das Kernmaterial unterscheiden sich Kern und Mantel im sogenannten Brechungsindex, einem Maß für die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht. Dieser Unterschied reicht aus, damit es an der Grenzschicht zwischen Kern und Mantel zur "Totalreflexion" kommt: Sämtliches Licht wird verlustfrei gespiegelt und breitet sich im Zickzack entlang des Kabelinnern aus.
Anstelle eines echten Kabels nutzten Goffin und Kollegen nun einen Trick, um das Laserlicht zu führen: zusätzliche Laser. Mithilfe von nur 300 Femtosekunden andauernden Laserpulsen erzeugten sie - vor dem Aussenden des eigentlichen Strahls - eine Art Plasmapfad in der Luft. Als Plasma bezeichnet man einen heißen Teilchenzustand, bei dem Luftmoleküle teilweise ionisiert werden. Auch bei Blitzen kommt es zu dem Effekt, was französische Forscher jüngst ausnutzten, um Blitzeinschläge auf dem Schweizer Säntis mittels Laserbeschuss abzuleiten.
Lasergeschosse zischen oder pfeifen nicht, sie donnern
Beim Flur-Experiment in Maryland blähte sich die Luft, aufgeheizt durch das Plasma, schlagartig aus und hinterließ eine Luftsäule geringer Dichte. Kreisrund angeordnet bildeten viele dieser niedrigdichten Luftsäulen einen Zylindermantel aus sogenannten Filamenten. Im Inneren des zylindrischen Einschlusses wiederum entstand ein fünf Millimeter durchmessender Kern mit höherer Dichte. "Die ringförmige Erhitzung der Luft erzeugt in der Mitte des Rings einen höheren Brechungsindex als am Rand", sagt der Laserphysiker Karsch. Am Dichteunterschied zwischen Kern und Mantel kam es dann zur Totalreflexion, genau wie bei der Glasfaser: Der grüne Hauptlaser wurde in einen Kanal gezwängt und für einige Millisekunden mit konstanter Intensität bis zur Wand geführt, ehe der Dichteunterschied in der Luft wieder zerfiel.
Laser-gepulste Luft als "virtuelle" Glasfaser, das könnte zukünftig zur Detektion von Verschmutzungen in der Atmosphäre angewendet werden. Ähnliche Messungen werden bereits durchgeführt, etwa mithilfe von "Lidar"-Systemen: Hierbei schießt man mit einem Laser senkrecht in die Atmosphäre. Von verschiedenen Schichten wird das Licht dann zu Teleskopen auf der Erde zurückgeworfen und aus der Laufzeit die Höhe der Verschmutzungsschicht bestimmt. "Bei weiterer Entwicklung könnte man mit einem geführten Laser dem Lidar-Licht beweglicher Objekte mit hoher räumlicher Auflösung folgen, etwa um den Schadstoffausstoß von Flugzeugen zu messen", sagt Peter Hommelhoff, Laserphysiker an der Universität Erlangen.
Die Studienautoren erhoffen sich zudem Fortschritte in der Laserkommunikation über große Entfernungen. "Eine virtuelle Glasfaser wird eine normale Glasfaser trotzdem nicht schlagen", ist sich Hommelhoff sicher. Stefan Karsch hält daher den Einsatz auf einem anderen Gebiet für wahrscheinlicher: "Laserwaffen sind eine mögliche Anwendung." Laserkanonen wie die des "Todessterns" in den "Star Wars"-Filmen werden zwar Science-Fiction bleiben, es überrascht jedoch nicht, dass die Studie durch Gelder der US-Armee mitfinanziert wurde.
Der Laserstrahl im Uni-Flur war jedenfalls nicht ganz ungefährlich. Um zu vermeiden, dass ein verirrter Student in den Messaufbau stolpert und vom Laserschuss getroffen wird, sicherten die Forscher den Versuch gleich mehrfach ab. Sie experimentierten nachts, sperrten den Gang mit Absperrband ab und hängten lichtschluckende schwarze Vorhänge auf. Außerdem wurden reflektierende Oberflächen abgeklebt, um vor Erblinden durch Streulicht zu schützen.
Einmal in Betrieb, machte der Laser allerdings auch akustisch auf sich aufmerksam. So knallte und knackte es, während der Keramikstein in der Wand am Ende des Flurs metallisch riechend zu dampfen anfing. Die Geräusche stammten nicht nur vom Plasmafleck auf der Wandoberfläche, sondern auch vom jähen Ausdehnen der Luft entlang des Laserpfades. Die Schallwellen nahmen die Physiker durch aufgereihte Mikrofone auf, um anhand der Lautstärke die Güte des Wellenleiters zu messen. Wie bei einem Gewitter habe man "kleine Cousins eines Donnerns" hören können, heißt es in einer begleitenden Pressemitteilung zur Studie. Für den nächsten Sci-Fi-Film bedeutet das: Laserkanonen sollten eigentlich donnern, anstatt "Piu Piu" zu machen.
