Also, guten Morgen erstmal allerseits und ich möchte Ihnen heute einen Einblick geben
in die Forschung meiner Forschungsgruppe, der Max-Planck-Institut des Lichts.
Wie schon gesagt, wir beschäftigen uns mit der Wechselwirkung von Licht und Schall, also
mit Optik und Akustik und schauen uns das auch im Quanten-Retim an.
Bevor ich anfange auch ein paar Grundlagen zu wiederholen, an die sich vielleicht noch
von der Schule her erinnern, möchte ich ein paar Fotos aus dem Labor zeigen.
Zum Beispiel haben wir da einen optischen Tisch mit diesen gelben Kabeln, das sind tatsächlich
Glasfasern, die sind umantelt mit Plastik, damit sie nicht zerbrechen, sehr einfach.
Wir haben andere Komponenten, zum Beispiel Halter, an denen man dann Spiegel befestigen
kann oder Filter, Detektoren.
Das hier ist eine Vorform einer optischen Faser.
Optische Faser können aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, das ist jetzt ein Polymer
zum Beispiel, da habe ich auch einige mitgebracht, da können Sie sich nachher auch hier unten
ansehen.
Dann hängt es davon ab, ob man ordentlich ist oder nicht, entweder es sieht ungefähr
so aus oder vielleicht so.
Auf dieses Bild werde ich später nochmal zurückkommen, dann werde ich auch erklären,
was das alles sein soll.
Okay, dann lassen Sie uns mal mit den einfachen Sachen beginnen.
Erstmal, was ist Hypersound?
Das habe ich so schön im Titel formuliert und um das zu verstehen, ist es wichtig zu
wissen, was ist Sound, was ist also Schall?
Gerade eben passiert genau das, ich spreche zu Ihnen, das heißt, ich mache mit meinen
Stimmbändern, mache ich sozusagen, dass die Luft vibriert, also es gibt Dichtewellen,
Schallwellen und die dringen an Ihr Ohr, an Ihr Trommelfell, Ihr Trommelfell fängt an
zu vibrieren und gibt dann ein Signal ans Gehirn.
Das ist zum Beispiel so eine Dichtewelle, das bedeutet, dass die Moleküle an einigen
Stellen dichter zusammen sind und an einigen weniger dicht und die propagieren sozusagen
zu Ihrem Ohr, diese Schallwellen.
Nun hängt es davon ab, was wir genau hören, da würde ich gerne über Töne sprechen,
Instrumente erzeugen, unterschiedliche Schallwellen, auch Lärm sind Schallwellen, also sagen wir
mal, eine Gitarre klingt anders als eine Trompete, als ein Klavier, wir würden jetzt nicht sagen,
dass ein Flugzeug oder Verkehrslärm Töne ergibt, aber im Grunde sind es auch Schallwellen
und mit unterschiedlichen Frequenzen.
Wir hören ungefähr vom Herz bis zum Kiloherzbereich, jüngere Menschen ein bisschen höher, Hunde
können noch viel höher hören, deswegen gibt es auch diese Hundepfeifen und Fledermäuse
können noch sehr viel höher hören, die erzeugen auch sehr laute Ultraschalltöne, wenn wir
nachts Ultraschall hören könnten, wäre das eine sehr hohe Lärmbelästigung.
Da sind wir aber immer noch nicht im Hypersound, weil Ultraschall also über Kiloherz geht,
Hypersound ist Gigahertz, Giga das ist 10 hoch 9, also eine 1 mit 9 Nullen, das ist also
sehr hochfrequenter Schall und das ist der Schall, mit dem wir uns beschäftigen.
Jetzt habe ich sehr viel über Frequenz gesprochen, was ist überhaupt eine Frequenz, können wir
uns zum Beispiel unseren Herzschlag veranschaulichen, wenn wir langsam gehen, haben wir einen
niedrigeren Herzfrequenz, wenn wir zum Beispiel die Treppen hinaufrennen, haben wir eine
höhere Herzfrequenz, das heißt, das sind also unterschiedliche Frequenzen und es hängt
damit zusammen, wie viel Schläge pro Minute wir aufnehmen.
Es gibt auch wie gesagt die Schallfrequenz, das bedeutet, wie dicht diese dichte Schwankungen
zusammen sind und Radiofrequenzen sind uns auch sehr gut bekannt.
Der Unterschied ist, also in allen Fällen benutzen wir das Wort Frequenz, der Unterschied
sind diese Arten von Schallwellen, Radiowellen sind elektromagnetische Wellen, Schallwellen
sind Dichtewellen und das ist eigentlich gar keine Welle, aber wir können trotzdem den
Begriff Frequenz benutzen.
Ein anderes wichtiges Phänomen ist die Resonanz, also die Resonanzfrequenz, vielleicht ist
Ihnen das bekannt und vielleicht kennen Sie auch schon dieses Video, das ist eine Hängebrücke
in der Bundesstadt Washington in 1940 und da sieht man, da sieht man nämlich ungefähr
in der Mitte des Videos, wie diese Brücke anfängt zu schwingen, also da sieht man das
schon ganz gut, das ist eine Stahlbetonbrücke und dadurch, dass der Wind in einer bestimmten
Frequenz durch diese Brücke hindurchbläst, sieht man, dass diese Brücke anfängt zu
schwingen und was man eigentlich gar nicht denken sollte, weil sie so stabil ist, da
sich das aber um die Resonanzfrequenz handelt, können sich diese Amplituden so aufschaukeln,
dass diese Brücke im Endeffekt am Ende sogar zusammen bricht.
Ich glaube, das geht noch ein bisschen weiter, ich weiß jetzt nicht genau, wie man davor
spult, aber das macht nichts.
Das haben Sie bestimmt auch schon mal in einem Video gesehen, wenn man ein Glas hat, ein
relativ reines Glas und da auch mit einer bestimmten Frequenz einen starken Ton spielt,
dann kann es auch dazu kommen, dass das Glas splittert und letztendlich zerspringt und
das hat auch mit der Resonanzfrequenz zu tun.
Die Resonanzfrequenz hängt ab vom Material und auch von der Geometrie des Teils, das
wir da sozusagen anregen.
Jetzt kann man hier zum Beispiel in diesem Diagramm sehen, da ist auf der waagrichten
Achse die Frequenz aufgetragen und auf der senkrechten die Amplitude, das heißt, wenn
wir weit weg sind von der Frequenz, dann passiert eigentlich nichts, aber wenn wir näher rangehen,
dann kann das Material anfangen zu schwingen und sogar sehr stark zu schwingen, sodass
es eventuell sogar zerbricht.
Diese Resonanzfrequenz wird später auch wichtig werden, wenn ich dann darüber rede zwischen
der Wechselwirkung von Licht und Schall, weil diese Resonanzfrequenzen bei wirklich bestimmten
Geometrien auftreten und deswegen müssen wir auch den sogenannten Hyperschall benutzen,
weil wir so ganz kleine Strukturen haben.
Mit der Frequenz hängt zusammen die Wellenlänge, da können wir uns vielleicht so eine Welle
ansehen, auf der waagrichten Achse haben wir die Zeit und dann passiert periodisch
etwas und eine solche Periode habe ich hier angezeichnet, also das ist die Periode T oder
die Umlaufzeit und das ist das Inverse von der Frequenz.
Dann können wir genauso sagen, diese Welle bewegt sich ja nicht nur zeitlich fort, sondern
auch im Raum, das heißt, wenn wir anstatt auf der waagrichten Achse die Zeit den Raum
auftragen, dann sehen wir, in einer Periode hat diese Welle einen bestimmten Weg zurückgelegt
und das ist die Weglänge.
Diese Welle hat natürlich auch eine bestimmte Geschwindigkeit und diese hängt mit der
Weglänge und der Zeit zusammen.
Ich habe diese jetzt hier C genannt, das wird häufig für die Lichtgeschwindigkeit
benutzt, man kann aber im Allgemeinen, das gilt natürlich allgemein für alle Geschwindigkeiten.
Genau, das heißt, wir wissen jetzt, was die Frequenz ist, was die Wellenlänge ist, jetzt
müssen wir zu den Geschwindigkeiten kommen.
Wie schnell ist eigentlich der Schall?
Bei 20 Grad in Luft, trockener Luft, das ist genau dieser Wert, das ändert sich mit der
Temperatur und auch mit der Luftfeuchtigkeit.
Die Schallgeschwindigkeit in Wasser ist ungefähr 1500 Meter pro Sekunde, in Glas kann es bis
zu 4000 bis 5500 Meter pro Sekunde sein, in Diamanten ist es noch höher.
Ich habe auch mal zum Spaß halber nachgeschaut, wie es in einer Edilgummi aussieht, es sind
54 Meter pro Sekunde, das ist also sehr langsam.
Genau, also wir sehen schon, die Schallgeschwindigkeit ist sehr unterschiedlich, abhängig von welchem
Material, das wir benutzen.
Gut, dann habe ich jetzt viel über Schallwellen erzählt, was ist denn eigentlich Licht?
Licht ist genauso ein alltägliches Phänomen, das uns begegnet, vor allem das Licht der
Sonne, Beleuchtung innerhalb von Gebäuden oder auch die Straßenbeleuchtung, das habe
jetzt ich dazu gezeichnet, weil ich ja in der Forschung bin, für uns sind Laser sehr
wichtig.
Was ist der Unterschied?
Sonnenlicht hat ein sehr großes Frequenzspektrum, das können Sie auch sehen, wenn Sie zum Beispiel
ein Prisma hernehmen, dann kann das Sonnenlicht in die ganzen unterschiedlichen Farben aufgespalten
werden.
Jede Farbe entspricht einer anderen Frequenz.
Auch Glühbirnen haben ein sehr breites Frequenzspektrum.
Deswegen ist es für unsere Forschung nicht so gut, die zu benutzen, weil wir dann nicht
wissen, welche Frequenz eigentlich den speziellen Effekt hervorgerufen hat.
Deswegen sind wir daran interessiert, ein sogenanntes monochromatisches Licht zu haben.
Monochromatisch bedeutet nur eine Farbe, bedeutet nur eine Frequenz oder eine Wellenlänge.
In der Realität ist es natürlich nicht nur eine Frequenz, sondern eine sehr enge Frequenzbreite,
aber es ist nahezu monochromatisch, wenn man das natürlich zu diesen anderen Lichtquellen
vergleicht.
Es gibt da auch, das kennen Sie sicherlich auch, ich meine ich benutze einen Laser hier,
die Farbe Rot, das gibt es natürlich auch in anderen Farben.
Und im Labor benutzen wir tatsächlich auch dieses sichtbare Laserlicht, allerdings auch
unsichtbares Laserlicht, da komme ich dann noch drauf zu sprechen.
Also wir haben verschiedene Wellenlängen des Lichts, man kann auch sagen verschiedene
Frequenzen des Lichts, allerdings wird im Sprachgehoff meistens die Wellenlänge benutzt
in der Forschung, in der Physik.
Da gibt es ein ganz schmalbändiges Spektrum in der Wellenlänge, das ist das sichtbare
Spektrum, das ist ungefähr von 380 Nanometer bis 750 Nanometer, vom violetten bis zum roten.
Genau das ist das sichtbare Spektrum.
Wenn wir zu kürzeren Wellenlängen gehen, gehen wir zum ultravioletten Spektrum, auf
der anderen Seite finden wir das infrarote Spektrum.
Im infraroten Spektrum möchte ich eine Wellenlänge herausheben, das ist nämlich die Wellenlänge,
bei der unser Internet funktioniert, die Wellenlänge, die in den Glasfasersystemen
benutzt werden und das ist eine Wellenlänge, also ich kann sagen, es ist 1550 Nanometer,
das wird benutzt, weil da die Verluste im Glas zu niedrig sind.
Genau, da befinden wir uns ganz nah hier im infraroten.
Wenn man dann noch zu kürzeren Wellenlängen geht, dann geht man zu Röntgenstrahlen und
Gammastrahlen und diese Strahlen haben auch eine höhere Energie, weil die kürzer die
Wellenlänge, desto größer ist die Energie in der Welle.
Auf der anderen Seite finden wir die Mikrowellen und dann die Radiowellen, die recht langwellig
sind.
Jetzt kommen wir nochmal zur Geschwindigkeit des Lichts, weil die Geschwindigkeit des
Schalls haben wir ja schon abgehandelt.
Das hat Leute schon vor sehr langer Zeit fasziniert und eines der ersten Experimente,
das überliefert wurde, ist von Galileo Galilei, der wollte die Lichtgeschwindigkeit messen
und hat sich gedacht, gut, ich stelle da zwei Leute im Abschaff von einem Kilometer auf
zwei Hügel und wenn der eine eine Laterne anmacht, dann soll der andere, sobald er dieses
Licht sieht, auch seine Laterne anmachen.
Er hat es auch relativ genau versucht, zum Beispiel die Reaktionszeit der Leute herauszurechnen
und alle möglichen anderen Fehler herauszurechnen, aber das ist natürlich eine sehr ungenaue
Art, die Lichtgeschwindigkeit zu messen und seine Schlussfolgerung war, also entweder das
Licht ist unendlich schnell oder sehr, sehr, sehr schnell.
Das zweite ist ja, wir wissen das Richtige, und ich denke, das erste Mal, das überliefert
wurde, dass es einen endlichen Wert hat, die Lichtgeschwindigkeit, wurde von Hippolyte
Fissot gemessen mit diesem Aufbau.
Er hat eine Lichtquelle benutzt, die Lichtpulse geben kann, das heißt, sie blinkt sozusagen.
Dieses Licht wird reflektiert an einer Glasplatte, also halb reflektiert, halb durchgelassen,
also ein halb durchlässiger Spiegel, geht dann durch ein Zahnrad und wird dann hier
wieder zurück reflektiert.
Das ist eine sehr lange Strecke hier, das sieht man vielleicht nicht, aber das ist sehr
lang.
Und da sich das Zahnrad rotiert, wird nicht jede Reflektion gleich aufgenommen vom Beobachter,
sondern erst nach vielen Zahnrädern.
Und deswegen, mit diesem Aufbau war es möglich zu sagen, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich
ist.
Heute wissen wir, dass es ungefähr diesen Wert hat.
Das kann man natürlich noch sehr viel genauer messen mit heutigen Messmethoden, aber das
ist jetzt der Wert, der für uns wichtig ist.
Licht ist eine elektromagnetische Welle, das bedeutet, Licht benötigt kein Medium,
um sich vorzubewegen.
Deswegen sehen wir auch das Sonnenlicht auf der Erde, deswegen sehen wir auch Sterne,
weil das Licht durchs Vakuum sich fortbewegen kann.
Mit Schall ist es anders, im Weltraum können wir uns nicht unterhalten, außer dass uns
natürlich auch die Luft zum Atmen fehlt, aber wir können im Weltraum keine Dichteschwankungen
anregen.
Aber Licht kann sich durch den leeren Raum bewegen und Schall nicht.
Da sehen wir schon den Unterschied in der Schallgeschwindigkeit, das sind fünf bis
sechs Größenordnungen.
An dem Punkt im Vorteil könnten Sie sich schon mal die Frage stellen, wie ist es dann überhaupt
möglich, dass es eine Wechselwirkung gibt, da diese Wellen so unterschiedlich von ihrer
Natur her sind und auch noch so unterschiedliche Geschwindigkeiten haben.
Da komme ich aber dann natürlich darauf zurück.
Sehr schön kann man die Unterschiede in der Geschwindigkeit von Schall und Licht bei
einem Gewitter sehen.
Wenn man den Blitz sieht, erst mal zählen, bis man dann den Donner hört, dann weiß
man wie weit das Gewitter weg ist.
Eine andere physikalische Größe, die ich gerne noch einführen möchte, die wichtig
ist für dieses Thema, ist der Brechungsindex.
Da haben wir einen Laserstrahl, der durch einen Glasblock geht und abgelenkt wird und
dann auf der anderen Seite wieder austritt.
Da sehen wir dadurch, dass das einen unterschiedlichen Brechungsindex hat, passiert etwas mit dem
Licht, das Licht wird gebrochen.
Das kann man zum Beispiel auch in einem Glas sehen, wenn Sie da einen Strohhalm drin haben
oder einen Löffel, dann sieht es so aus, als ob der Löffel abgeknickt ist und das ist
ein Effekt vom Brechungsindex.
Das können wir uns auch mal in einem Graf anschauen.
Das Licht trifft auf eine Oberfläche mit einem bestimmten Winkel und wird reflektiert
und transmittiert.
Reflektiert wird es mit dem gleichen Winkel, das wird in der Schule immer Einfallswinkel
gleich Ausfallswinkel wiederholt.
Das heißt, die Reflektionen haben den gleichen Winkel.
Das ist anders für den transmittierten Strahl, wenn der Brechungsindex anders ist.
Das wird durch das sogenannte Snelliusche Gesetz beschrieben.
Da kann man ausrechnen, wie dieser Winkelbettar von diesem gebrochenen Lichtstrahl verlaufen
muss.
Eine wichtige Sache noch ist, zum Beispiel hier könnte das Luft sein und Wasser.
Die Dichte ist anders in Luft und Wasser und deswegen ist auch der Brechungsindex anders.
Das bedeutet, der Brechungsindex hängt von der Dichte vom Material ab.
Das wird später noch mal wichtig werden.
Vielleicht noch eine kurze Anrichtung zu Reflektionen.
Das ist auch etwas, das wir tagtäglich sehen im Spiegel.
Der reflektiert nahezu perfekt, was wir, sozusagen, welches Bild wir ihm geben.
Wir sehen auch Reflektionen im Glas oder in Edelsteinen zum Beispiel.
Dann möchte ich noch eine Sache erwähnen, ist zum Beispiel der Nebel.
Das ist jetzt aber ein bisschen anders.
Wenn man zum Beispiel mit dem Auto nachts fährt und das Fernlicht anmacht, dann merkt
man, dass es eigentlich nicht so gut ist, das Fernlicht anzuhaben, wenn Nebel da ist,
weil so viel zurückkommt.
Ich möchte das nicht Reflektion nennen, weil dann würden wir uns ja selbst in einem Nebel
sehen.
Das ist eine Diffuse Streuung, weil im Nebel kleine Teilchen sind, weil sich auch die Dichte
ändert und an diesen Teilchen wird das Licht gestreut.
Das heißt, man sieht da eine diffuse Rückstreuung des Lichts.
Das Phänomen, das ich heute beschreiben werde, wird auch Streuung genannt, weil es in unterschiedliche
Winkel gehen kann.
Das ist genau der Punkt.
Wir haben Lichtreflektion oder Lichtstreuung an Schallwellen.
Es kann deswegen funktionieren, weil so eine Schallwelle einen Unterschied in der Dichte
hat und mit dem Unterschied in der Dichte kommt auch ein Unterschied im Brechungsindex einher.
Das heißt, wenn man da Licht hinein schickt in diese Schallwelle, dann kommt etwas zurück.
Dieser Effekt, dass es überhaupt geht, wurde ungefähr vor 100 Jahren zum ersten Mal theoretisch
vorhergesagt von einem Herrn Briand in Frankreich und einem Herrn Mandelstam in Russland.
Das war ein paar Jahre auseinander, vier Jahre und es hat scheinbar schon gereicht,
um zu sagen, dass die Streuung Briand-Streuung genannt wird.
Manche Leute nennen sie aber auch Briand-Mandelstam-Streuung.
Etabliert hat sich der Begriff Briand-Streuung.
Die haben eben vorausgesagt, wenn man Licht auf ein Material schickt, dann wird es abgelenkt
von Dichtewellen.
Das kann man sich so vorstellen, hat man hier zum Beispiel ein Glasblock und man schickt
einen Laser hinein.
Dann wird dieser Laser in alle möglichen Winkel abgelenkt, gestreut und diese verschiedenen
Komponenten, die in einem verschiedenen Winkel abgelenkt werden, haben auch eine verschiedene
Frequenz.
Das heißt, die Frequenz von einem Laser wird dadurch verändert, dass das Licht gestreut
wird.
Das erkläre ich auch gleich nochmal, warum das so ist.
Vielleicht nochmal dazu, was uns hauptsächlich interessiert, ist die Vorwärts- und die Rückwärts-Streuung.
Das machen wir uns sozusagen einfacher.
Das ist der Fall, wenn wir uns in einem Wellenleiter befinden, zum Beispiel in so einer Glasfaser,
die ich hier mitgebracht habe.
Dieser Unterschied in der Frequenz hängt davon ab, wie die Schallgeschwindigkeit in dem Material
ist, der Brechungsindex und die Wellenlänge von unserem Laser.
Jetzt erkläre ich mal ganz kurz, warum überhaupt diese Frequenz anders ist.
Jetzt kann man sich überlegen, Sie kennen ja das Phänomen, wenn ein Polizeiauto auf
uns zukommt oder von einem wegfährt, dann hört man einen anderen Ton.
Der Grund ist der Dopplereffekt.
Im Grunde passiert genau das Gleiche hier, diese Schallwellen bewegen sich.
Das heißt, das ist eine dichte Schwankung, die sich bewegt mit einer bestimmten Geschwindigkeit.
Das heißt, zum Beispiel geht die Schallwelle in die eine Richtung und das Licht wird davon
reflektiert und bekommt eben eine andere Frequenz mit.
Das kann man sich auch überlegen mit der Energie- und Impulserhaltung, aber es ist
wahrscheinlich recht anschaulich, das mit dem Dopplereffekt sich zu überlegen.
Das heißt, diese Frequenz ist auf jeden Fall anders als die des Lasers, des Lichtes,
den wir hier hineingeschickt haben.
Okay, jetzt habe ich gesagt, dass wir das gerne in Wellenleiter untersuchen müssen,
weil wir es uns auch vielleicht ein bisschen einfach machen.
Da gibt es nur die vorwärts- und die rückwärts Richtung und natürlich ist die Wechselwirkung
dann relativ stark.
Was sind solche Wellenleiter eigentlich?
Vielleicht kennen Sie dieses Gerät oder dieses Lichtobjekt von vor 20, 30 Jahren.
Ich glaube, das heißt dann UFO oder so.
Da gibt es eine Lichtquelle unten und dann geht da so ein Bündel Plastikfasern raus.
Dann sehen Sie daran, das Licht ist hier unten und dann sieht man diese kleinen Punkte am
Ende von diesen Plastikfasern.
Ich habe leider keins mehr zu Hause, sonst hätte ich eins mitgebracht.
Das bewegt sich dann so.
Warum bleibt dieses Licht in diesen optischen Fasern gefangen und kann sogar um die Kurve
gehen?
Schauen wir uns mal eine typische Standard, Glasfaser an.
Die ist ungefähr 125 Mikrometer breit.
Das ist ungefähr so dick wie ein menschliches Haar.
Und in diesem Faserkern wird das Licht geleitet.
Das heißt, wenn wir da reinzoomen, haben wir einen Faserkern und dann eine Umgebung.
Das ist beides aus Glas.
Allerdings hat der Faserkern einen ganz kleinen bisschen unterschiedlichen Brechungsindex.
Dadurch bleibt das Licht in diesem Faserkern und wird entlang des Faserkerns geleitet.
Der Faserkern kann zwischen 5 bis 10 Mikrometer, aber kann auch ein bisschen größer sein
im Durchmesser.
Warum wird jetzt dieses Licht geleitet?
Darin, da können wir uns nochmal das Diagramm von vorhin ansehen.
Vorher kam ja das Licht von oben, wenn man das Licht aber von der Seite vom dichteren
Medium hineinschickt, also zum Beispiel Wasser oder Glas, dann kann es auf die Oberfläche
treffen mit einem bestimmten Winkel und komplett reflektiert werden.
Und dann wird nichts transmitiert.
Das kann man sich auch ausrechnen mit dem Snelliuschen Gesetz, das heißt die totale
interne Reflektion.
Das funktioniert nicht, wenn das Licht vom weniger dichten Medium einfällt.
Es muss immer vom dichteren Medium einfallen.
Das kann man auch sehen, also es ist vielleicht nicht super alltäglich, aber, okay, Moment,
ganz kurz.
Das kann man sehen, zum Beispiel wenn man tauchen geht oder wenn man auf jeden Fall
unter der Wasseroberfläche ist.
Wenn man mit einem relativ kleinen Winkel dann auf die Oberwasseroberfläche schaut, dann
sieht es aus wie ein Spiegel.
Wenn man dann weiter runter geht und dann nach oben sieht, dann sieht man wieder den
Himmel.
Das heißt, man sieht, dass das Licht durchkommt, aber wenn man mit einem nicht so steilen Winkel
reingeht, dann sieht es aus, als ob das eine Spiegeloberfläche ist.
Das ist ein Phänomen der totalen internen Reflektion und damit funktionieren die Glasfasern.
Okay, es gibt standardoptische Fasern, die sind dann komplett aus Glas und es gibt integrierte
Wellenleiter.
Die Physik ist genau die gleiche.
Licht bleibt einfach in dem Wellenleiter gefangen und wird geleitet entlang des Wellenleiters.
Nur, dass diese integrierten Wellenleiter sehr viel kleiner sind.
Sie können sich das wie so einen elektronischen Chip vorstellen und anstelle, dass da Drähte
sind, sind dann Glaswellenleiter.
Die sind dann fast genauso klein und leiten das Licht zwischen verschiedenen Komponenten.
Genau, und dann möchte ich dann darauf eingehen, wie denn diese Priorenstreuung in einem Wellenleiter
aussieht.
Das heißt, wir haben jetzt diesen Wellenleiter, es kann eine optische Faser sein oder ein
Chip.
Licht fällt ein und dadurch, dass es Schwingungen in dem Wellenleiter gibt, Schallwellen, wird
das Licht zurückreflektiert.
Da wird es hier so Omegas erwähnt, das ist die Frequenz vom Licht und das bedeutet,
dass das reflektierte Licht eine andere Frequenz hat.
Das ist vielleicht für einen Physiker nun gar nicht so erstaunlich, weil, okay, es gibt
Dichtewellen, die Dichtewellen haben einen unterschiedlichen Brechungsindex und klar,
deswegen gibt es auch eine Rückreflektion.
Das interessante ist, es geht auch in die andere Richtung.
Wenn man Licht hineinschickt und das passende Licht auf der anderen Seite, ich sage passend,
weil wir als Physiker normalerweise wissen sollten, was man beobachtet, also wir wissen
eigentlich, was hier zurückkommen soll.
Wenn man nun das Licht, das hier zurückkommen soll, von der anderen Seite schon hineinschickt,
können wir akustische Wellen, also Schallwellen auch erzeugen.
Das ist das Spannende daran, nicht nur Licht kann von Schallwellen beeinflusst werden,
auch Licht kann Schallwellen erzeugen.
Und dieser Effekt wird in unserem Fachjargon stimulierte Brion-Einstreuung genannt.
Okay, nun habe ich gesagt, es gibt Wellenleiter, es gibt Glasfasern, es gibt integrierte Wellenleiter,
es gibt auch noch eine ganz spezielle Art von Glasfasern oder von überhaupt optischen
Fasern, das sind die photonischen Kristallfasern.
Wir haben drüber am Arx Planck-Institut eine ganze Division, die darauf spezialiert ist
und der Professor hat die auch erfunden vor vielen Jahren.
Die sehen genau so aus.
Anstelle, dass wir da nur das gleiche Material haben, also Glas und auch, dass der Faserkern
aus Glas ist, gibt es nun Luftkapillaren.
Das ist eine ganz feine Struktur, in der trotzdem das Licht geleitet wird.
Das gibt es in ganz unterschiedlichen Designs, also mit größeren Löchern, kleineren.
Das ist eine ganz spezielle Struktur, auf der gerade geforscht wird.
Sieht aus wie so ein Mercedes-Stern, da wird auch Licht im Faserkern geleitet.
Das gibt es also in unterschiedlichen Designs.
Nun, wie sieht da Unterschied aus?
Also so würde eine Standardfaser aussehen, mit einem Brechungsindex innen und außen.
In diesen photonischen Fasern gibt es grob gesehen zwei verschiedene.
Diejenigen, wo das Glas im Material selbst geführt wird und diejenigen, wo das Licht
sogar in Luft geführt wird.
Das ist auch eine ganz spezielle Art von Lichtleitung, die dann nicht mehr so einfach
erklärt werden kann, wie in den Fasern mit einem festen Kern.
Warum spreche ich darüber?
Es ist sehr interessant für viele Forschungsrichtungen, aber hauptsächlich wird dann über das Licht
in diesen photonischen Kristallfasern gesprochen.
Warum ich das besonders interessant finde, ist, weil sie auch für unsere Schallwellen
Leiter darstellen.
Das sieht man hier, das ist ein Faserkern, der durch eine Schallwelle deformiert wird.
Das heißt, der Faserkern vibriert stark und außerhalb in der Struktur gibt es eigentlich
kaum noch Schallwellen.
Das bedeutet also, die Schallwelle ist sehr konzentriert im Faserkern.
Und das bedeutet für uns, dass das Licht und der Schall an der gleichen Stelle sich
fortbewegen und sozusagen gefangen sind.
Und deswegen findet da eine große Wechselwirkung statt.
Natürlich kann man das nicht sehen, auch nicht mit einem Mikroskop, aber das ist eine Simulation.
Das heißt, wir können übertreiben.
Wenn wir diese Schwingung sehr stark anregen können, dann würde es so aussehen.
Und da möchte ich auf den Begriff der Resonanzfrequenz zurückkommen, denn das ist genau eine Resonanzfrequenz
dieser Struktur.
Und die hängt vom Material ab und von der Geometrie.
Das ist genau das gleiche wie bei einer Brücke, die zufällig mit einer bestimmten Frequenz
angeregt wurde oder bei einem Glas.
Ganz kurz vielleicht dazu, wie diese Fasern hergestellt werden.
Die werden in einem Faserzitum, der über zwei Stockwerke geht, gezogen.
Und da gibt es eine Preform.
Vielleicht zeige ich Ihnen, also da können Sie auch wirklich danach noch mal runterkommen.
Das heißt, die sieht dann ungefähr so groß aus.
Da wird diese Struktur entweder mit einem 3D-Drucker zum Beispiel für Plastik hergestellt
oder auch mit Glas schon mal zusammengeschmolzen.
Und dann wird es in einen Ofen gesteckt und runtergezogen.
Das ist fast wie bei einer Spinne, wo dann der Seitenfaden unten rauskommt, aber anstelle
dessen eine Glasfaser.
Vielleicht ganz kurz, das ist dann sozusagen so eine Vorform der Faser.
Es geht durch einen Ofen und dann kommt diese Faser dann da irgendwann raus.
Das ist natürlich noch der Anfang von dem Teil, deswegen darf ich es auch mitnehmen.
Und danach kommt dann diese ganz dünne Faser, die so dick ist wie ein Haar, danach raus.
Genau, und das gibt es aus unterschiedlichen Materialien, auch aus Plastik, aus sogenannten
Softglas und auch aus ganz normalen Glas, aus denen die Glasfasern hergestellt sind,
die Standardglasfasern.
Okay, gut, das heißt, wir haben jetzt schon ganz viel gehört über Wellenleiter, über
die Physik des Schalls, die Physik des Lichts.
Wir haben gehört, dass es funktioniert, dass Schall und Licht miteinander wechselwirken
können.
Warum ist es nützlich?
Natürlich ist es sehr nützlich für ganz unterschiedliche Anwendungen, ich möchte
zwei erwähnen.
Wir benutzen ja sehr häufig unser Handy, das Internet und da auch die verschiedenen Anbieter.
Und diese verschiedenen Anbieter haben einiges gemeinsam, nämlich die haben sehr große Datencenter.
Und diese großen Datencenter befinden sich überall, wo es kalt ist.
Zum Beispiel hat Microsoft auch vor einigen Jahren ein Datencenter von der Küste am Meeresboden
versunken oder die sind zum Beispiel im hohen Norden in Schweden, weil es da kalt ist.
Und warum?
Weil die sehr viel Hitze produzieren.
Man stellt sich heraus, dass die Hitze nicht nur von den Prozessoren selbst produziert
wird, sondern auch von allen elektronischen Verbindungen.
Und nun kann man sich überlegen, man kann die Prozessorenversuchungen zu energieeffizienter
zu machen, das ist eine Sache.
Man kann aber auch versuchen, diese Verbindungen irgendwie loszuwerden.
Und da gibt es eine Idee, dass man diese ganzen elektronischen Verbindungen mit Lichtleitern
ersetzt.
Das heißt, anstelle von elektronischen Signalen, die durch Kupfer oder Goldmaterial gehen,
hätten wir dann Licht, das durch Glaswellenleiter propagiert.
Da komme ich dann zurück auf den Chip.
Das heißt, anstelle eines elektronischen Chips haben wir dann einen optischen Chip.
Das heißt, alle diese Drähte sind dann mit Lichtleitern ersetzt.
Genau, und es hat viele Vorteile.
Es gibt weniger Hitzeabstahlung, eine hohe Bandbreite, eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit.
Genau, das heißt, wir ersetzen auf so einem Chip all diese verschiedenen Komponenten,
verbinden die mit Lichtleitern.
Da kann es aber zu einem Problem, also genau zuallererst, dadurch, dass es Lichtleiter
sind, ist es auch einfacher, dass man das zum Beispiel dann mit dem Glasfasernetz über
die ganze Welt und zu anderen Datencenter verbindet.
Da gibt es aber ein Problem, das kennen Sie auch, der Prozessor stürzt ab.
Was passiert, wenn zum Beispiel eine Information losgeschickt wird und der Prozessor ist jetzt
aber beschäftigt?
Licht ist ja so schnell, das heißt, wenn das Licht dann einfach auf den Prozessor ungebremst
trifft, dann ist die Information verloren.
Das, was man in dem Fall braucht, ist ein Element, und das gibt es schon im Elektronischen,
ein Element, das das Licht kurz zwischenspeichert und vielleicht zu einem anderen Prozessor,
der gerade Zeit hat, umleitet sozusagen.
Und dann nach einiger Zeit, wenn der Prozessor fertig ist, dann einfach wieder los schickt.
Und es stellt sich raus, dass man das mit Schallwellen herstellen kann.
Wir haben also Lichtinformation, das durch so einen Wellenleiter geleitet wird, und wir
schicken auf der anderen Seite das passende Licht rein.
Das hatte ich ja schon vorher erwähnt.
Wir als Physiker wissen ja, welches passende Licht wir rein schicken müssen.
Das heißt, wir schicken einen Kontroll, einen sogenannten Kontrolllichtpuls hinein.
Und wo die beiden sich begegnen, können sie eine Schallwelle erzeugen.
Das heißt, in diesem Wellenleiter entsteht eine Schwingung, die sich fortbewegt.
Und wir haben ja gelernt, dass die Schallgeschwindigkeit so viel langsamer ist.
Das bedeutet, wir haben die Information vom Licht, also einem sehr schneller Träger,
zu einem sehr langsamen Träger einfach übertragen.
Das heißt, es bewegt sich da fort mit der Schallgeschwindigkeit, was fünf bis sechs
Größenordnungen langsamer ist.
Nach einiger Zeit können wir das Ganze wieder auslesen, auch mit einem Kontrollpuls.
Und dann haben wir die Information wieder im Licht und können es weiter schicken.
Vielleicht ganz kurz in diesem Comic, sieht man das vielleicht noch mal ganz kurz, wir
erzeugen eine Schallwelle, können es dann wieder auslesen, und dann hat das Licht eine
kleine Verschiebung.
Diese Verschiebung in der Zeit ist im Nanosekundenbereich.
Sagen Sie, oh, das ist aber relativ kurz.
Für die optische Übertragung ist es trotzdem so, dass man die Information um viele, sage
ich mal, Bitlängen verschieben kann.
Und es reicht, dass man sozusagen von einer Information, so einen Header auslesen kann,
um die Information weiter zu leiten.
Oder umzuleiten.
Okay, das heißt, ein Schall kann ein Speicher für Licht sein.
Ich dachte mir, ich zeige Ihnen vielleicht auch mal echte Messungen.
Ich versuche das so gut wie möglich zu erklären.
Das ist ein Lichtpuls auf einem Oszilloskop.
Wir haben hier die Zeitachse, also das ist die, wenn Sie vielleicht schon mal ein Oszilloskop
gesehen haben, das ist eben die Waagricht der Achse.
Und dadurch, dass dieser Lichtpuls auf einem Detektor detektiert wurde, geht dann die Intensität
hoch.
Okay, das ist zum Beispiel ein Bitl.
Kann man sagen, wir haben eins und wenn nichts ankommt, null.
Nun möchte ich sehen, dass dieser Puls sozusagen aus dem Licht verschwindet.
Wir wissen, am Oszilloskop, wenn wir einen Puls sehen, dann ist da Licht.
Wenn wir jetzt aber diese Kontrollpulse hineinschicken, dann sehen wir, dass dieser Lichtpuls kleiner
wird.
Immer kleiner, immer kleiner, bis er fast ganz verschwindet.
Das bedeutet, dass die Information nicht mehr im Licht selbst ist, sondern sich in den
akustischen Wellen, in den Schallwellen befindet.
Dann könnte man sagen, okay, der Puls ist weg.
Woher wissen Sie, dass das jetzt in den Schallwellen ist?
Eine gute Frage, aber wir können es ja wieder auslesen.
Und wenn wir genau die gleiche Information wieder auslesen können, dann wissen wir, dass
es irgendwo zwischengespeichert sein musste.
Das kann man hier zum Beispiel sehen, das heißt, den ersten Puls, der Schreibpuls, lässt
unseren Originalpuls verschwinden und der nächste lässt die Information wieder hinauskommen.
Und das kann man dann auch kontinuierlich durchstimmen, je nachdem, wann man diesen
Lesepuls wieder hineincheckt.
Diese Messungen, also vielleicht denken Sie, warum ist dieser Puls nicht schön und hat
eine schöne Form.
Das war uns auch wichtig zu sehen, dass man genau diese Pulsform nach einiger Zeit immer
noch wiederfinden kann, weil das ja auch Information enthält.
Okay, ich habe mir auch gedacht, ich bringe mal ein Video mit, was Sie da jetzt gleich
sehen werden.
Also das ist so ein Puls, der war jetzt hier im Positiven, der ist hier negativ, das hängt
mit der Fotodiode zusammen, das ist nicht wichtig.
Dieser Puls ist sehr lang, also der wäre jetzt hier bis zum Boden, aber ich wollte reinzoomen,
damit man das genau sehen kann, was da passiert.
Wenn ich das dann anschalte, wird der hier weggehen und dann hat man hier noch so ein
bisschen Zeug, Noise, Rauschen, aber dann sehen wir hier, wo der Pfeil ist, dass die
Information rauskommen wird.
Diese Messung war ein, genau das sieht man dann, da kommt dieser Puls raus nach einiger
Zeit.
Diese Messung war ein, da haben wir das mehrere Male hintereinander gemacht, das bedeutet,
das Licht geht in die Schallwelle, geht wieder zu Licht, geht wieder in die Schallwelle und
kommt wieder raus, deswegen ist da relativ viel Rauschen in diesem Bereich.
Genau, da sehen wir das nochmal, das verschwindet nahezu und hier ist die Information dann ein
paar Nanosekunden später.
Wenn Sie sich hier vielleicht die, ich weiß nicht, ob man die Achse sehen kann, das ist
eine Nanosekunde, das heißt hier ist das Maximum, eins, zwei, drei, vier, fünf, fünf
Nanosekunden später entdecken wir dann wieder den Puls.
Okay, und das ist genau dieses Setup, das ich am Anfang einmal erwähnt hatte.
Mit diesem Setup konnten wir dieses Phänomen messen auf einem optischen Chip.
Hier sehen Sie zum Beispiel einen Laser, der wird dann in Glasfasern eingekoppelt und dann
sieht man ganz viele Glasfasern, die gehen zu unterschiedlichsten Komponenten, zum Beispiel
zu einem optischen Filter, damit wir nur eine ganz bestimmte Frequenz raussuchen können
und auch Modulatoren, damit wir das Licht modulieren können und so weiter.
Das ist ein relativ kompliziertes Setup am Ende gewesen.
Ja, genau, es gibt auch Menschen im Labor, das war der Doktorand, mit dem ich zusammengearbeitet
habe, der Moritz Merkler, den möchte ich hier erwähnen, der hat auch sehr viel Zeit investiert
in dieses Setup.
Genau, okay, das ist eine Anwendung, es gibt noch viele weitere Anwendungen der Priorents-Streuung
natürlich.
Zum Beispiel kann man die Priorents-Streuung für Temperatur- und Drucksensoren benutzen,
das erkläre ich gleich, man kann hochpräzise Laser bauen und man kann es sogar für die
Bildgebung von biologischen Stoffen und Zellen benutzen.
Das letzte wird auch an unserem Institut gerade erforscht, damit man Zellen mit Licht sozusagen,
also man schickt Licht auf eine Zelle, die vibriert und dann kann man sagen, aus was
sie zum Beispiel aufgebaut ist.
Das ist aber nicht mein Forschungsgebiet, deswegen werde ich noch mal ganz kurz auf
die Temperatur- und Drucksensoren zurückkommen.
Solche Sensoren, die auf Priorents-Streuung basieren, gibt es auch schon kommerziell
zu kaufen und damit kann man zum Beispiel ein großes Gebäude, einen Wolkenkratzer oder
eine Brücke oder ein Ölpalplein beobachten, ob es zum Beispiel irgendwelche Verschiebungen
gibt oder ob es einen Punkt gibt, wo sich etwas erhitzt und der Vorteil daran ist, dass
man eine einzige Faser verlegen kann und mit einer Messung sagen, da passiert etwas.
Man braucht also kein Netz von Temperatur-Sensoren oder ein Netz von Drucksensoren, sondern man
braucht nur eine einzige Faser.
Das ist zum Beispiel auch interessant für Staudämme oder für Flugzeugflügel, dass
man jegliche kleinste Verschiebungen detektieren kann mit einer recht schnellen Messung.
Da habe ich auch eine Messung mitgebracht, das sind zwei unterschiedliche, einmal für
eine Faser, die 100 Meter lang ist, also relativ lang, da haben wir einen Teil gedehnt, um
zu zeigen, dass die Frequenz, die zurückkommt durch die Priorents-Streuung, für diesen
Teil unterschiedlich ist als für den Rest von der Faser.
Und das ist auch ungefähr wie das dann funktioniert bei zum Beispiel einem Wolkenkratzer.
Man kann sehen, oder gibt es eine Verschiebung, deswegen ist das Licht, das zurückkommt,
ein bisschen in der Frequenz verschoben.
Was für uns, die wir mit optischen Chips und mit recht kleinen Fasern zusammenarbeiten,
interessant ist, man kann das auch auf eine recht kleine Skala runterbringen.
Also hier habe ich einen Wellenleiter von einem Millimeterbereich und da kann man auch
etwas auflösen, das kleiner als ein Millimeter in der Veränderung ist.
Das heißt, da haben wir einen ganz kleinen Teil mit so einem wirklich kleinen Zahn erhitzt
und dann konnte man sehen mit der Priorents-Streuung, ah, da passiert etwas.
Das heißt, das ist sehr gut um zum Beispiel auch eine Faser, die gebrochen ist, also
vielleicht nicht ganz gebrochen, weil gebrochen dann gibt es keine Lichtleitung mehr, aber
eine Faser, die dabei ist umzuknicken, kann man zum Beispiel auch dediktieren.
Okay, damit habe ich Ihnen zwei wichtige Anwendungen der Priorents-Streuung gezeigt
und möchte Ihnen auch zeigen, wer da so alles mitgearbeitet hat.
Das ist das derzeitige Team hier am Max-Planck-Institut.
Wir arbeiten aber auch mit anderen Gruppen zusammen, vor allem auch zum Beispiel mit
der Division von Philip Russell, die diese photonischen Kristallfasern herstellen.
Und dann habe ich natürlich auch noch ein großes internationales Netzwerk, weil ich
die letzten vier Jahre in Sydney gearbeitet habe.
Der Moritz und die Atiye, die haben beide auf diesen Projekten, die ich vorgestellt habe,
sehr stark mitgearbeitet.
Genau, und wir arbeiten auch weiter zusammen, auch mit Leuten, die dann die Theorie dazu
entwickeln.
Genau, und damit möchte ich schließen und sagen, ich habe über die Physik des Lichts
und des Schalls heute gesprochen.
Ich habe Ihnen vorgestellt, wie Wellenleiter und photonische Kristallfasern funktionieren.
Dann habe ich darüber erzählt, wie man Schall als Lichtspeil herbenutzen kann und Schall
als Temperatur- und Drucksensor.
Wenn Sie das interessiert, das sind die wissenschaftlichen Artikel, die Sie finden können.
Genau, und damit möchte ich Ihnen danken für Ihre Aufmerksamkeit.