Ein interdisziplinäres Forscherteam der Universität Rostock und der University of Southern California hat am 15. Januar 2025 in dem Fachjournal Nature Physics bahnbrechende Ergebnisse veröffentlicht. Diese Studie beschreibt eine neuartige Methode zur effizienten Formung und Kombination hochenergetischer Laserstrahlen. Die Forschung verbindet Erkenntnisse der Thermodynamik, insbesondere den Joule-Thomson-Effekt, mit optischen Phänomenen.
Professor Demetrios Christodoulides und sein Team konnten zeigen, dass thermodynamische Gesetzmäßigkeiten auch für die Ausbreitung von Laserstrahlen in komplexen Medien von Bedeutung sind. Dies wirft ein neues Licht auf die Interaktionen zwischen Licht und Materie und eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von photonischen Technologien.
Der Joule-Thomson-Effekt
Der Joule-Thomson-Effekt, eine entscheidende thermodynamische Erscheinung, beschreibt die Temperatur- und Druckveränderungen von Gasen, wenn sie durch ein Ventil strömen, ohne dabei Arbeit zu verrichten oder Wärme auszutauschen. Diese Entdeckung, die auf die Arbeiten von James Prescott Joule und Lord Kelvin zurückgeht, findet insbesondere Anwendung in der Kältetechnik. Durch die Expansion des Gases kann es abgekühlt werden, was für die Entwicklung effektiver Kältemittel von großer Bedeutung ist Einfach besser beraten.
Die Rostocker Forschenden haben die Prinzipien der Joule-Thomson-Expansion auf die Dynamik intensiver Laserstrahlung übertragen. Dr. Matthias Heinrich illustriert diesen Prozess anschaulich mit dem Beispiel einer Sprühdose, aus der Gas austritt und dabei expandiert sowie abkühlt. Die hohe Intensität von Lichtstrahlen bewirkt dabei momentane Änderungen des Mediums, die die Qualität des Lichts maßgeblich beeinflussen können.
Neue Perspektiven in der optischen Thermodynamik
Ein zentrales Ergebnis der Studie ist die Interpretation der ‚Temperatur‘ eines Laserstrahls nicht als Wärmeempfindung, sondern als seine geometrische Form. Durch die Erweiterung einer ungeordneten Lichtverteilung in ein größeres System lassen sich strukturierte Strahlprofile generieren, ohne äußeres Zutun. Dies führt zu neuen Ansätzen, um mehrere Laserstrahlen effizient zu einem gemeinsamen Strahl zu kombinieren, ohne nennenswerte Energieverluste zu erleiden.
Die internationale Zusammenarbeit der Wissenschaftler hat das Gebiet der optischen Thermodynamik erheblich vorangebracht. Ihre Erkenntnisse könnten grundlegende Veränderungen in der Entwicklung photonischer Wärmekraftmaschinen sowie innovativer Wärmepumpen für Licht nach sich ziehen. Die Studie und ihre Ergebnisse werden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die Alfried Krupp von Bohlen und Halbach-Stiftung gefördert.
Insgesamt eröffnet diese Forschung vielversprechende Perspektiven für zukünftige Entwicklungen in der Photonentechnologie und verstärkt das Interesse an thermodynamischen Prozessen in der Optik sowie deren Anwendungen in der Kältetechnik.