Forschende der Universität Rostock und der University of Southern California haben eine innovative Methode zur effizienten Formung und Kombination hochenergetischer Laserstrahlen entwickelt. Die Ergebnisse dieser bahnbrechenden Forschung wurden am 15. Januar 2025 im renommierten Fachjournal Nature Physics veröffentlicht. Dabei stützen sich die Wissenschaftler auf Konzepte aus der Thermodynamik, insbesondere auf die Joule-Thomson-Expansion.

Professor Demetrios Christodoulides und sein Team zeigen, dass thermodynamische Prinzipien nicht nur auf Gase, sondern auch auf die Ausbreitung von Laserstrahlen in komplexen Medien anwendbar sind. Diese Erkenntnisse können weitreichende Anwendungen haben, unter anderem in der Entwicklung photonischer Wärmekraftmaschinen und Wärmepumpen für Licht.

Theorie und Anwendung des Joule-Thomson-Effekts

Der Joule-Thomson-Effekt beschreibt die Temperatur- und Druckänderungen eines Gases, wenn es durch ein Ventil oder eine Drossel strömt, ohne dabei Arbeit zu verrichten oder Wärme auszutauschen. Wie ein Ratgeber erklärt, wird dieser Effekt in der Kältetechnik genutzt, um Kältemittel zu erzeugen und Gase abzukühlen. Der Joule-Thomson-Koeffizient ist entscheidend für diese Prozesse, da er die Temperaturänderung eines Gases beeinflusst, basierend auf den Bedingungen der Expansion.

In ihrer Arbeit haben die Rostocker Forschenden den Joule-Thomson-Effekt auf die Laserstrahlung angewendet. Dies ermöglicht die Interpretation der ‚Temperatur‘ des Laserstrahls als seine Form, was nicht mit der Wärmeempfindung gleichzusetzen ist. Durch eine Expansion der ungeordneten Lichtverteilung in ein größeres System gelingt es, ein klares Strahlprofil zu generieren, ohne dass äußere Eingriffe notwendig sind.

Ergebnisse und Ausblick

Die Ergebnisse dieser Forschung könnten die Kombination mehrerer Laserstrahlen zu einem einzigen Strahl mit minimalen Energieverlusten ermöglichen. Dabei identifizieren die Wissenschaftler die hohe Intensität von Lichtstrahlen als entscheidenden Faktor, der bei unterschiedlichen Bedingungen zu Änderungen im Medium führt und somit die Qualität des Lichts beeinflusst.

Die internationale Zusammenarbeit in diesem Forschungsfeld hat das Potenzial, die optische Thermodynamik erheblich voranzutreiben. Gefördert wurde die Studie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Alfried Krupp von Bohlen und Halbach-Stiftung. Professor Alexander Szameit, einer der Hauptverantwortlichen für die Forschung, steht für Anfragen zur Verfügung.

Mit den neuen Erkenntnissen sowie den innovativen Anwendungen des Joule-Thomson-Effekts eröffnen sich vielversprechende Perspektiven in der Lasertechnologie und darüber hinaus. Die Identifizierung der Möglichkeit, Lichtstrahlung effizient zu kontrollieren, wird in der Zukunft einen entscheidenden Einfluss auf zahlreiche technische Entwicklungen haben.