Normalerweise ist die PTB dafür bekannt, daß sie immer bessere Meßmethoden entwickelt, um irgendeine Einheit oder Norm auf noch ein piko oder femto, auf noch eine weitere Stelle hinter dem Komma genau zu bestimmen. Daß die PTB aber nicht nur mißt oder sich mit der (Atom-)Uhrzeit beschäftigt, konnten wir am Freitag, den 2.8.96 bei unserem Besuch in der PTB erfahren.

Geführt wurden wir von Matthias Vaupel, einem Experimentalphysiker an der PTB. Er ist zwar auch für die Atomuhren mitverantwortlich, wesentlich mehr Spaß macht ihm jedoch die Grundlagenforschung im Laserbereich. Dies konnten wir gleich dadurch feststellen, daß er uns zuerst in ein Kellerlabor führte, wo er auf einem großen Tisch einen aktuellen Versuch aufgebaut hatte. Die Versuchsanordnung war im Prinzip einen Laser, der jedoch nicht in einem kleinen, handlichen Gehäuse untergebracht, sondern über einen ca. sechs Quadratmeter großen Tisch verteilt war. Das "Herz" dieses Lasers ist ein BSO-Kristall, der wiederum von einem Festkörperlaser mit einem grünem Lichtstrahl gepumpt wird. Der Rest des Tisches ist mit Spiegeln besetzt, die sowohl für den Resonator benötigt werden, als auch um die Lichtstrahlen in die erforderlichen Richtungen und durch mehrere Meßstationen zu leiten. Am Ende wird der Lichtsrahl auf einen CCD-Sensor gelenkt, der das Abbild des Laserstrahl vergrößert auf einem Monitor wiedergibt.

Wer - wie auch wir in unserem Kurs - schon einmal versucht hat, auch nur einen kleineren Laserversuch mit zwei oder drei Spiegeln und ebensovielen Strahlteilern und Linsen richtig zu justieren, kann sich wohl einer gewissen Bewunderung für die Präzision, mit der auf diesem Tisch rund 30 optische Geräte aufgebaut waren, nicht entziehen. Das Besondere an diesem Versuch ist jedoch, daß man auf diese Weise einen Laser erhält, der von sich aus nur eine Mode ausbildet und einen Lichtfleck mit der Gauß'schen Normalverteilung erzeugt. Normalerweise bilden sich immer mehrere Moden aus, was zu einer Art "Fleckenmuster" im Lichtstrahl führt, das dann über Umwege (z.B. Monomode-Glasfaserkabel) wieder korrigiert werden kann. Aber auch wenn diese "Fleckenmuster" im Lichtstrahl in der Regel unerwünscht sind (sie stören einfach), sind auch sie Gegenstand intensiver Forschungen. Diese Flecken stellen nämlich eine Art "Wirbel" im Laserlichtfeld dar, die analog zu den Wirbeln in Flüssigkeiten und Gasen betrachtet und auch auf die gleiche Weise mathematisch beschrieben werden können. So kann sich, wenn man ein Hindernis im Laserlichtfeld hat (Hindernis ist in diesem Fall einfach als Stelle definiert, an der kein Licht sein kann), z.B. eine Wirbelstraße ausbilden, wobei die Verdichtung in Flüssigkeiten hier gleichbedeutend ist mit einer Steigerung der Lichtintensität. Man ist sogar in der Lage, den Drehimpuls dieser "Photonenwirbel" zu messen.

Auf diese Weise kommt man dazu, das Licht als eine "viskose und kompressible Flüssigkeit" zu bezeichnen. Das Verhalten der Photonen im Laserlicht wird äquivalent zum Verhalten der Teilchen in Fluiden angenommen. So können sich beispielsweise zwei Moden regelrecht auseinanderdrängen, da dort, wo das Licht intensiver ist, auch ein höherer "Druck" besteht, und nun versucht wird, einen Druckausgleich zu schaffen. Es gibt eine ganze Reihe von Beispielen, die sich vom einfachen bis zum sehr komplexen und komplizierten Verhalten erstrecken. Gemeinsam ist diesen Beispielen jedoch, daß es sich hierbei um selbstorganisierende Musterbildungsprozesse handelt, die durch Überlagerung verschiedener Moden und einer zeitlichen Schwebung dieser Überlagerungen im Laserlichtfeld zu stande kommen, und daß diese nahezu beliebig komplexe räumliche Strukturen annehmen können. Bei zu hoher Komplexität und zu vielen Modenüberlagerungen kann es zu Turbulenzen kommen, die wiederum analog zur Hydrodynamik angenommen werden. Eine Parallele zwischen der Laserphysik, genauer den Mustern im Laserlichtfeld und den Strukturen, die sich in hydrodynamischen Systemen ausbilden, ist also nicht zu verkennen, auch wenn es einem seltsam anmuten kann, wenn von Dichte und Wirbeln im Laserlichtfeld die Rede ist.

Diese Analogie zu verdeutlichen ist Matthias Vaupel bei unserem Besuch in der PTB gelungen, obwohl dieses Thema äußerst komplex und schwierig ist, und wohl keiner - selbst Vaupel nicht - behaupten kann, er hätte alles über diesen Themenbereich verstanden, denn die Forschung ist hier noch längst nicht abgeschlossen. Dennoch - oder gerade deshalb - hat sich diese Exkurs in die laufende Forschung für unseren Kurs sicherlich gelohnt.