Plasma dreht die Schwingungsrichtung von Laserlicht

Hochintensive Laser kommen zum Beispiel in der Spektroskopie zum Einsatz, um die zeitliche Veränderung von spektralen Eigenschaften von Lösungen zu untersuchen. Ganz normale optische Geräte, wie Spiegel, Linsen und Polarisationsfilter, werden jedoch durch solches Laserlicht zerstört. Pierre Michel vom Lawrence Livermore National Labor in Kalifornien und seine Kollegen beschrieben die Auswirkung von Plasma auf Laserlicht in einem mathematischen Modell, um einige optische Elemente zukünftig in Messungen durch Plasma zu ersetzen. Plasma ist ein Gemisch aus Ionen, freien Elektronen und neutralen Atomen, das ähnliche Eigenschaften wie ein Gas aufweist. In der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ beschrieben die Forscher, wie sich die Schwingungsrichtung des elektromagnetischen Feldes eines Lasers – die Polarisationsrichtung – mithilfe eines zweiten Lasers manipulieren lässt.

Die Forscher entwickelten ein Modell über das Verhalten zweier hochintensiver Laserstrahlen, die ein Plasma in einer horizontalen Ebene durchleuchten und dabei aufeinandertreffen, wobei ein Laser als Anregungsquelle mit einer höheren Intensität dient und der zweite Laser mit der geringeren Intensität eine Polarisationsänderung erfährt. Durch das elektrische Feld des Laserlichts werden die elektrisch geladenen Teilchen des Plasmas von jedem einzelnen Strahl unabhängig voneinander hin und her bewegt. Treffen nun die beiden Laserstrahlen im Plasma aufeinander bilden sich sogenannte stehende Wellen in der Plasmadichte – also Wellen, deren Schwingungsbäuche und -knoten eine feste Position im Raum einnehmen. Es kommt insgesamt zu einer Wechselwirkung zwischen dem Laserlicht und dem Plasma, dessen Dichte räumlich variiert.

Plasma wirkt wie ein Polarisationsfilter

Zwei theoretisch berechnete Anwendungen zur Polarisationsänderung hat das Forscherteam aufgestellt: Im ersten Fall wird die Frequenz eines linear polarisierten Lasers als Anregungsquelle des Plasmas so gewählt, dass eine stehende Welle im Plasma entsteht. Der zweite Laser ist unpolarisiert – das heißt das elektromagnetische Feld deckt alle Polarisationsrichtungen ab. Durch die positionsabhängige Plasmadichte wird das Licht der beiden Laser nach ihrer Polarisation getrennt: Die Photonen, die mit der Polarisation des Anregungslasers übereinstimmen, passen ihre Frequenz dem Anregungslaser an. Auch ihre Bewegungsrichtung wird verändert. Sie laufen nun in die Richtung mit den Photonen des Anregungslasers. Der Anteil des Elektromagnetischen Feldes, das senkrecht dazu polarisiert ist, setzt seinen Weg ungehindert fort. Hinter dem Plasma sind also ein horizontal und ein senkrecht dazu polarisierter Laserstrahl mit unterschiedlichen Frequenzen messbar. Dieser Versuchsaufbau wirkt wie ein Polarisationsfilter, bei dem eine Polarisationskomponente geblockt wird.

Das zweite Anwendungsmodell beschreibt die Polarisationsänderung als Drehung. Dabei haben der Anregungslaser und der zu untersuchende Laser die gleiche Frequenz und sind senkrecht zueinander polarisiert. Durch den senkrecht polarisierten Anregungslaser bremst die stehende Welle der Plasmadichte die senkrecht polarisierten Photonen stärker als die horizontalen Schwingungsanteile. Dadurch entsteht ein Geschwindigkeitsunterschied zwischen vertikal und horizontal polarisiertem Licht und die Polarisationsachse wird gedreht. Aus dem zuvor linear polarisierten Licht wird zirkular polarisiertes Licht, also eine elektromagnetische Welle, die sich gewissermaßen auf einer spiralförmigen Bahn bewegt.

Die Gruppe um Michel plant, diese theoretisch beschriebenen Polarisationsänderungen nächstes Jahr experimentell zu überprüfen. Das darauf basierende optische Element kann bei erfolgreicher Durchführung, wie im ersten Modell beschrieben, als Polarisationsfilter oder, wie im zweiten Modell, als Verzögerungsplatte zur Erzeugung zirkular polarisierten Lichts eingesetzt werden.