Das Wechselspiel von Licht und Sojasoße

Im PhotonLab zeigt die sechzehnjährige Schülerin des Ignaz-Günther-Gymnasiums in Rosenheim stolz, wie Sojasoße zur Linse für Laserstrahlen wird. Eine 400-Mikrometer-dicke Schicht Sojasoße bricht parallel einfallende Lichtstrahlen so, dass sich diese im Raum zerstreuen. Wer hätte gedacht, dass man das asiatische Würzmittel auch als „Zerstreuungslinse“ benutzen kann? Auf einer Leinwand tanzt und flackert das grüne oder rote Laserlicht im abgedunkelten Labor. Miriam hat den thermischen Linseneffekt sichtbar gemacht.

Zuerst schickt sie grünes oder rotes Laserlicht durch eine Sammellinse. Diese bricht parallel einfallende Lichtstrahlen so, dass sie sich im Brennpunkt kreuzen. Dahinter befindet sich ein Träger mit Sojasoße, auf die das Laserlicht trifft. Ein Teil des Lichts wird reflektiert. Der Rest wird entweder absorbiert oder „transmittiert“, dringt also durch die Soße hindurch. Bei der Absorption durch die Sojasoße wird ein Teil der elektromagnetischen Energie des Strahles in thermische Energie umgewandelt. Durch diesen Wärmeeintrag steigt die Temperatur in der Soße, die Dichte nimmt ab.

Der entstehende „Dichtegradient“ erzeugt den Linseneffekt. Denn das Licht sucht sich den kürzesten Weg durch die Soße: es nimmt also eine lange Strecke mit geringer Dichte oder eine kurze Strecke mit hoher Dichte. Dadurch, dass sich die Soße unterschiedlich stark erwärmt, ist die Dichte in ihr nicht einheitlich. So entstehen viele dünne Schichten mit unterschiedlichen Dichten und Brechungsindizes. Sie sind dafür verantwortlich, dass die Sojasoße den einfallenden Lichtstrahl aufweitet und zu einer Abnahme seiner Intensität führt — die Soße wirkt „divergierend“. Diesen Effekt misst Miriam anschließend mit einem sogenannten „Beam Profiler“.

Handelsübliche Sojasoße eignet sich besonders für dieses Experiment, da sie eine starke Absorption im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums aufweist. Miriam hat das Absorptionsspektrum ihrer Probe gemessen. Man erkennt wie die Absorption bei rotem Licht am höchsten ist. Ein roter Laser mit hoher Intensität, führt also zu den größten Effekten.

Unterstützt wird Miriam von Dr. Silke Stähler-Schöpf vom Schülerlabor „PhotonLab“. Das „PhotonLab“ — eine Kooperationseinrichtung des Exzellenz-Clusters Munich Center for Advanced Photonics, der Fakultät für Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik — stellt Ausrüstung und Expertise bereit. Für ihre Experimente benötigte Miriam zum Beispiel Laser mit einer Leistung von 7 – 80 mW. Um die Brennweite der thermischen Linse zu berechnen, bediente sie sich Formeln der Fachliteratur. „Das ist viel tiefgreifender als in der Schule“, sagt Miriam.

“Bis zum Landeswettbewerb besteht mein Ziel darin, die Brennweite der thermischen Linse durch ein Experiment zu bestimmen und mit meiner Theorie zu vergleichen,” erklärt Miriam. Mit einem Lächeln fügt sie hinzu: “Ich kann die Sojasoße nicht mehr riechen”.

Vom 01. – 03. April wird Miriam ihre Ergebnisse beim Landeswettbewerb „Jugend forscht“ in Vilsbiburg vorstellen. Dazu reicht sie eine schriftliche Arbeit ein, hält einen Vortrag und wird sich anschließend einer Befragung durch Juroren stellen. „Ich weiß nicht, was mich erwartet“, sagt sie aufgeregt. Die Redaktion der Photonworld wünscht Miriam viel Erfolg!