Light whiskers – branched flow

Vor kurzem bin ich auf folgendes Experiment gestoßen: Laserlicht wird in eine Glasfaser eingekoppelt. Deren Ende befindet sich unmittelbar neben einer Seifenblase. Das in die Seifenblase eindringende Laserlicht folgt verästelten Pfaden, ähnlich den Schnurhaaren einer Katze bzw. der Aststruktur eines Baumes. Dieser Effekt wurde erst 2020 von einem israelisch-amerikanischen Forscherteam publiziert.

Hier ein interessantes Video dazu: https://www.youtube.com/watch?v=UNCNp1tBqKY

Auch beim Wettbewerb Jugend forscht haben sich zwei Nachwuchsphysiker mit dieser spannenden Sache beschäftigt: https://www.jugend-forscht.de/projektdatenbank/lightwhiskersbranched-flow-of-light.html

Quelle: www.jugend-forscht.de

Was braucht man alles für diesen Versuch? Nun, nicht viel. Die Materialliste beinhaltet eigentlich nur

Hier meine Zeichnungen der Pointerhülsen zur Einkopplung des Laserlichts in die Glasfaser:

Um an einen Lichtleiter zu gelangen kann man auch so ein Spielzeuglicht plündern:

Hier der Aufbau zur bestmöglichen Einkopplung des Laserlichts in den Lichtleiter:

Da die sehr schmalen Löcher mit nur 0.7 mm Durchmesser nicht gedruckt werden konnten, habe ich mir Mikrobohrer mit 0.5 und 0.8 mm Durchmesser besorgt. Die Seifenblasenlösung von Pustefix hatte ich noch bei mir zuhause.

Die 3D-Druckteile sind angekommen. Innendurchmesser der Hülsen ist 12.0 mm, 12.1 mm und 13.3 mm für die unterschiedlichen Laserpointer. Vorne am Pointer habe ich eine Fokussierlinse angebracht. Die erhöht noch einmal deutlich die Helligkeit am Ende des Lichtleiters…

Heute konnte ich einen ersten Test mit Seifenblasen durchführen. Als Grundlage verwendete ich eine breite Aluminiumleiste. Leider konnte ich keine light-whiskers entdecken. Das Ende der Glasfaser habe ich sowohl in einem geringen Abstand unter einem flachen Winkel zur Seifenblasenoberfläche postiert als auch in die Blase „eingetaucht“. Eventuell ist meine Glasfaser mit 0.75 mm Durchmesser zu dick oder mein Laser zu hell oder ich müsste länger mit der Kamera belichten…

Jetzt warte ich einmal auf die bei conrad bestellten 0.5er und 0.75er Glasfasern bzw. schaue ich mich nach noch dünneren um. Leider ist dieser Versuch im Internet sehr schlecht dokumentiert.

Heute sind die Glasfasern angekommen. Ein erster Test mit einer 0.5er Faser verlief aber leider abermals negativ. Überhaupt keine light-whiskers zu sehen 🙁

Dann habe ich probiert, den Laserstrahl ohne Lichtleiter seitlich streifend in die Seifenblase einzukoppeln. Dies gelang mir relativ gut und so konnte ich die ersten Light-whiskers beobachten. Den Durchmesser des Laserstrahls habe ich mittels Alufolie und kleinem Loch verkleinert. Das Phänomen ist aber sehr schwer zu beobachten und noch schwieriger zu filmen bzw. fotografieren. 3 kurze Videos sind mir aber einigermaßen geglückt und man kann andeutungsweise die Verästelungen sehen. Aber wie gesagt, das Phänomen ist sehr lichtschwach trotz des relativ hellen grünen 10 mW DPSS Laser mit λ = 532 nm. Ich habe deshalb auf aliexpress ein 50 mW und ein 200 mW Modul bestellt. Mal schauen, ob dann die Verästelungen besser zu sehen sind.

Wie bin ich vorgegangen? Zuerst einmal habe ich eine nicht zu kleine Seifenblase auf der Aluplatte erzeugt. Den Laser habe ich leicht von unten nach oben strahlend so ausgerichtet, dass er die Seifenblasen immer seitlich treffen kann. Hierzu habe ich den Teller mit der Aluplatte + Seifenblase sehr feinfühlig nach vor und zurück geschoben bis der Laserstrahl tangential die Seifenblase streifte. Dann noch schnell wenn möglich ein Video aufnehmen, denn die Zeit tickt und die Seifenblasen zerplatzen nach nicht allzu langer Zeit…

Hier die Bilder vom Versuchsaufbau und einige Ergebnisse. Wie schon gesagt ist es nicht leicht, die Light whiskers abzulichten. Denn die Zeit tickt, bis die Seifenblase wieder zerplatzt, dann muss man den Laserstrahl sehr gut tangential ausrichten, was auch nicht immer gleich funktioniert und zu guter letzt sind die Lichterscheinungen sehr dunkel und die Kamera tut sich schwer beim Fokusieren. Zur leichteren Ausrichtung des Lasers zumindest was dessen Höhe angeht habe ich mir einen höhenverstellbaren Tisch auf aliexpress besorgt.