Eine Optik aus Schall

Entsprechend winzig ist der Effekt. Dass etwa die Reflexion von Lichtstrahlen an unterschiedlich dichten Luftschichten möglich ist, kann man im Sommer über aufgeheiztem Asphalt sehen: Dann flimmert es über der Straße, und manchmal kommt es sogar zu Spiegelungen – wie bei einer Fata Morgana dicht über dem Horizont.

Die Wissenschaftler haben nun eine solche Spiegelung künstlich hervorgerufen, indem sie einen sehr starken, rund sieben Zentimeter großen Ultraschallwandler unter einem Schallreflektor anbrachten. Im Raum dazwischen, den der Laserstrahl durchlief, bildeten sich gitterförmige stehende Schallwellen. An diesem Gitter brach sich der Laserstrahl in einem flachen Winkel; der Strahl wurde gespalten, die eine Hälfte abgelenkt, die andere zog geradeaus weiter.

Um diesen Effekt in der Luft zu erzielen, benötigten die Wissenschaftler außergewöhnlich leistungsstarke Ultraschallwandler. „Als wir bei der Firma inoson, die Ultraschallwandler baut, das erste Mal mit unseren Wünschen vorstellig wurden, sahen die Mitarbeiter uns etwas ungläubig an“, schildert Schrödel den Beginn der Zusammenarbeit. „Sie sagten uns, so etwas ginge nicht.“

Nachdem man gemeinsam die Parameter durchgerechnet hatte, stellte sich aber heraus, dass die Technik doch funktionieren könnte. Nötig ist eine möglichst gute Kombination aus Schallintensität und Frequenz: also erstens ein besonders leistungsstarker Wandler, der einen Schalldruck wie ein startender Düsenjet hervorbringt; und zweitens muss der Wandler eine möglichst hohe Frequenz erzeugen. „Wir haben mit einer Frequenz von 500 Kilohertz gearbeitet. Das ist ein Bereich, in dem Luft den Schall bereits spürbar absorbiert“, sagt Schrödel. Deshalb dürfen Wandler und Reflektor nicht meterweit auseinander stehen. Aber ein Zwischenraum von einigen Zentimetern ist kein Problem.

„Zusammen mit Forschern aus der Mess- und Sensortechnik der Technischen Universität Darmstadt hat inoson dann einen Prototypen für unsere Experimente gebaut, und der funktionierte gleich erstaunlich gut“, erinnert sich Schrödel. Innerhalb kurzer Zeit wurde der Reflexionsgrad von rund 20 auf über 50 Prozent erhöht. Damit lässt sich ein solcher akustooptischer Modulator bereits als Strahlteiler einsetzen.

Ambitionierte Ziele

Für viele Zwecke, etwa in der Materialbearbeitung, benötigt man allerdings eine höhere Effizienz von gut 80 bis über 90 Prozent. Das wollen die Forscher mit immer besseren Wandlern erreichen. „Wir werden anstelle von normaler Luft mit Gasen wie Helium oder auch schwereren Gasen arbeiten und Parameter wie den Gasdruck verändern“, sagt Schrödel.

Künftig sollen mithilfe speziell geformter Ultraschall-Wellenfelder sogar komplexe Optiken in der Luft möglich sein – also nicht nur schaltbare Spiegel, sondern ganze Linsensysteme, mit denen man hochintensive Laserstrahlen bündeln oder spalten kann. „Spannend dabei ist, dass man die Ultraschallwandler einfach elektronisch ansteuern und dadurch die optische Apparatur blitzschnell umstellen kann“, sagt Schrödel. „Das könnte sich auch für nicht ganz so leistungsstarke Laserstrahlen als hilfreich erweisen.“