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21.02.2017

Kilometer Ausbreitung Intensiver Langwelliger Laserstrahlen

Ausbreitung langwelliger, hochintensiver Laserstrahlen in einer Atmosphäre aus molekularen oder atomaren Gasen

 
(Pressemitteilung 02/2017)
Ein kurzer langwelliger Laserimpuls propagiert in einem Gas atmosphärer Dichte über 2,5 km ohne nennenswerten Intensitätsverlust. Gezeigt ist die zeitlich gemittelte lokale Lichtintensität (gelb = hohe Intensität) eines Laserimpulses mit 10 Mikrometern Wellenlänge [Durchmesser des Laserstrahls in Zentimetern (vertikale Achse von +6 bis -6) als Funktion der Ausbreitungsdistanz (horizontale Achse von 0 bis 2,5 km)]. Durch die vom Lichtfeld hervorgerufene schwache Ionisierung der Gasatome erreicht der propagierende Lichtimpuls eine Kompensation zwischen den defokussierenden und den fokussierenden Einflüssen des Gases, so dass sich eine nahezu konstante Ausbreitungsintensität stabilisiert.

In einer Zusammenarbeit zwischen Physikern und Mathematikern der Universität Marburg (Prof. S.W. Koch) und des Optical Sciences Centers der University of Arizona/Tucson (Prof. J. V. Moloney, Dr. K. Schuh et al.) konnte ein realistisches Modell entwickelt werden, das die Ausbreitung langwelliger, hochintensiver Laserstrahlen in einer Atmosphäre aus molekularen oder atomaren Gasen beschreibt. Überraschenderweise zeigen die Studien, dass trotz der relativ niedrigen lokalen Dichte des Trägermediums, die Wechselwirkungen zwischen den ionisierten Elektronen dazu führen, dass die resultierenden defokussierenden Effekte gerade die kritische Selbstfokussierung verhindern, die ansonsten zu einem Kollaps des Laserimpulses führen würden. Die Ergebnisse der Wissenschaftler sind jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht worden (K.Schuh et al., Physical Review Letters 118, 063901 (2017)).

Die theoretischen Ergebnisse sagen vorher, dass ultrakurze Laserimpulse im langwelligen Bereich hohe Energien über Kilometerdistanzen transportieren können, d.h. um Größenordnungen weiter als die sogenannte Rayleighlänge vorhersagt, bei der sich die Querschnittsfläche des Strahls verdoppeln sollte. Damit sollten die untersuchten Laserimpulse zur verlustarmen Informationsübertragung über lange Distanzen bestens geeignet sein. Bei dem Ausbreitungsmechanismus des intensiven Lichtfeldes in der Gasatmosphäre ist es besonders bemerkenswert, dass trotz der geringen Teilchendichte die Wechselwirkungen zwischen den ionisierten Elektronen eine wesentliche Rolle spielen. Durch das resultierende anregungsinduzierte Dephasieren, d.h. durch den graduellen Verlust der Phaseninformation des lokalen Lichtfeldes können die Einflüsse des Kerreffektes kompensiert werden, die andernfalls zu einer katastrophalen Selbstfokussierung führen würde, die eine massive Ionisation des Gases und damit eine Arretierung der Lichtausbreitung zur Folge hätte. 

Die Publikation im Internet unter: DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.063901

 

 

 

 

 

 

Kontakt

Prof. Dr. Stephan W. Koch
Fachbereich Physik der Philipps-Universität
Tel.: 06421/28-21336
E-Mail

Zuletzt aktualisiert: 22.02.2017 · Prof. Dr. Stephan W. Koch

 
 
 
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Tel. +49 6421-28-21337, Fax +49 6421-28-27076, E-Mail: renate.schmid@physik.uni-marburg.de

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