Schockwellen räumen Tröpfchen beiseite

Der Laser wird von dem selbst erzeugten Brechungsindex in der Luft immer wieder fokussiert. Ein Laser mit einer Wellenlänge von 800 Nanometer kann sich so in der Luft als 100 Mikrometer dünner Strahl fortsetzen, ohne zerstreut zu werden. Diese sogenannten Laserfilamente wurden erstmals 1964 in Glas beobachtet und 1994 auch in Luft. Diese Filamente sind aber nicht geeignet, um größere Datenmengen zu übertragen. Derartige Laser können bestenfalls einige Tausend Pulse pro Sekunde abgeben. Die Daten müssten also von anderen Lasern übertragen werden. Aber denen fehlt wieder die nötige Leistung, um das Filament zu erzeugen.

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Einen Ausweg aus dem Dilemma fanden amerikanische Forscher im Jahr 2013 bei der Untersuchung der Auswirkungen, die solche Laserfilamente auf die Luft haben, durch die sie verlaufen. Im Zentrum des Filaments werden einige Luftmoleküle zu starken Schwingungen angeregt und teilweise sogar zu Plasma ionisiert. Innerhalb von 10 Nanosekunden nach dem Puls gleichen sich die Schwingungen aus und das Plasma zerfällt wieder. Aber jetzt ist die Luft entlang des Filaments einige hundert Grad heiß und steht unter hohem Druck.

Innerhalb der nächsten Mikrosekunde wird dieser Druckunterschied mit der Umgebung ausgeglichen. Danach ist aber die Luft im Inneren des Filaments immer noch wärmer und somit weniger dicht als die der Umgebung. Diese Verhältnisse bleiben anschließend über mehrere Millisekunden bestehen - eine Ewigkeit im Vergleich zum kurzen Laserpuls oder der Zeit, bis sich der Kanal in der Luft gebildet hat. Die dünnere Luft im Inneren hat einen etwa zwei Prozent niedrigeren Brechungskoeffizienten als die dichtere Luft außen. Das ist aber genau das Gegenteil der Verhältnisse in einer Glasfaser.

Mehrere Filamente ergeben eine Luftfaser

Letztendlich fand sich auch dafür eine Lösung. Die Forscher benutzten einen Laser, der vier Laserfilamente in einer quadratischen Anordnung erzeugen kann, sodass ein "Loch" mit hoher Luftdichte in der Mitte verbleibt, mit dünner Luft darum herum. Diese komplexere Struktur ist etwas weniger langlebig, bleibt aber dennoch für etwa eine Millisekunde erhalten, bis sie vom nächsten Laserpuls wieder aufgebaut werden muss. In der Zwischenzeit können andere Laserstrahlen mit anderen Wellenlängen die Luftfaser zur Datenübertragung benutzten - und zwar in beide Richtungen!

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Ein Problem bleibt noch. Luft ist nicht immer sauber. Aber die amerikanischen Forscher spekulierten schon 2013, dass die Laserfilamente durch die Druckwellen beim schnellen Aufheizen der Luft kleine Partikel selbstständig aus dem Weg räumen könnten. Das würde die Übertragungsqualität in den Luftkanälen nochmals deutlich verbessern. Hier kommen schließlich die Schweizer Forscher ins Spiel. Sie wiesen nach, dass diese Druckwellen auch die kleinen Wassertröpfchen einer Wolke oder einer Nebelbank einige Mikrometer zur Seite schieben können.

Die Wassertröpfchen sind dabei etwas träger als die Luft, sodass der freigeräumte Bereich für mehrere Millisekunden frei bleibt. Die nötige Energie dafür wird bei der Entstehung der Laserfilamente schon mitgeliefert. Das Prinzip wurde in einer 20 Zentimeter großen Wolkenkammer getestet. Darin können viel höhere Tröpfchendichten als in der Natur erreicht werden. Die optischen Eigenschaften entsprachen damit eher einer 100 Meter durchmessenden Wolke.

Die Technik braucht noch mehr Forschung und stärkere Laser

Trotz aller Erfolge ist die Technik noch nicht einsatzbereit. Zum einen muss sie noch über große Strecken in der turbulenten Atmosphäre getestet werden. Die Laserstrahlen können zwar für Millimeterbruchteile ihren eigenen Brechungsindex erzeugen, aber der Verlauf der Laserfilamente ist immer noch abhängig von Brechungsindex der Atmosphäre insgesamt. Deren genaue Auswirkungen auf den Prozess sind noch unbekannt und müssen eventuell erst unter Kontrolle gebracht werden.

Das andere Problem ist die nötige Energie zum Aufbau der Luftkanäle. Vier Filament sind nötig, jedes davon benötigt etwa 0,5 Millijoule pro Meter Luft. Um bis in den Weltraum zu gelangen, würden also einige Joule pro Puls benötigt. Femtosekundenlaser mit solchen Leistungsdaten sind gerade in der Entwicklung, stehen aber noch nicht für Anwendungen bereit. Bis dahin wird es bei schlechtem Wetter wohl bei den alten Satellitenschüsseln bleiben.

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 Telekommunikation: Mit dem Laser durch die Wolken
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Sensei 24. Okt 2018

Ist ja auch ein Wunderlich-Pfeiffer Artikel. ;) Seine Artikel heben sich regelmäßig...

Gandalf2210 23. Okt 2018

Nicht rein gucken. Wie pflegte unser Physik Prof immer zu sagen: sie haben zwei Versuche.

Anonymer Nutzer 23. Okt 2018

Stimmt. Das sind dann die Abstürze, die keiner nachvollziehen kann. Oder menschliches...

Marcelo86 23. Okt 2018

Servus, macht nicht der Wind/Jetstream in der Höhe den Tunnel sofort wieder kaputt?

Eheran 22. Okt 2018

Ohje ohje ohje. Der erste Fehler, dass Femto 10^-15 sind, geschenkt. Aber 0...



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