beherrschtes licht - Laser

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© Foto | Gernot Walter
BEHERRSCHTES LICHT
Photonic Crystal Fibers versprechen Großes: Sie leiten weit mehr Energie als
heutige Fasern und hat das Potenzial, sogar das Licht industrieller CO2 -Laser
zu führen. Der Trick: Das Licht bewegt sich statt im Glas zwischen Glas.
02-04-2012
Mehr zum Thema
Weitere Informationen zur
Forschung von Prof. Philip Russell
können Sie auf der Homepage des
Photonische Kristallfasern — meist englisch Photonic Crystal Fibers oder PCF
genannt – sind ein neuer Typ von mikro- oder nanostrukturierten
Lichtwellenleitern. Sie bestehen aus einem Glasfaden mit einem periodischen
Gitter aus winzigen Hohlkanälen, die in seiner Längsrichtung verlaufen. Diese
Kanäle dienen als starke Streustellen, die es ermöglichen, Licht innerhalb eines
hohlen oder massiven zentralen Kerns einzufangen.
Max Planck Instituts in Erlangen
Besonders interessant sind die Photonic Crystal fibers mit Hohlkern. Sie lösen ein
altes Problem in der optischen Physik: Wie kann man die Brennweite einer Linse
erhöhen, ohne den Durchmesser des Brennpunkts zu vergrößern? Um dies zu
erreichen, muss man eine fundamentale Eigenschaft des leeren Raums
überwinden, die Diffraktion (oder Beugung) eines sich ausbreitenden Lichtstrahls.
Den Anstoß für PCF gab 2003
abrufen.
Einen Fachbeitrag zum Thema
finden Sie hier auf Optics &
Photonics News.
Russells detailierter Artikel in
Science. Lesen Sie hier
(kostenpflichtig).
Eine Glaskapillare ist nicht in der Lage, Licht einzuschließen, da es bei optischen
Frequenzen kein Glas gibt, das einen Brechungsindex von weniger als eins hat –
dies aber wäre die Voraussetzung für ein Confinement durch die völlige interne
Reflexion in einem Hohlkern. Hier eröffnen Photonic Crystal Fibers mit Hohlkern,
die durch den Effekt der photonischen Bandlücke leiten, zum ersten Mal eine
praktikable Lösung.
Artikel online: http://www.laser-community.com/de/beherrschtes-licht/
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BEMERKENSWERTE PERFEKTION
Je nach Bedingungen erreichen sie einen Verlust von einem Dezibel pro Kilometer
bei 1 550 Nanometer Wellenlänge. Nach einer Ausbreitung von drei Kilometern ist
nur die Hälfte des Lichts verloren. In einem ein Kilometer langen Stück einer
solchen Faser wird das Licht von den Spiegeln erstaunliche drei Millionen Mal
zurückgeworfen, bevor es das Ende erreicht. Wenn wir bedenken, dass der Mantel
des Kerns eine gekrümmte Fläche hat und dass bei jedem Rückprall ein neuer
Spiegel verwendet wird, ist klar, dass solche auf der photonischen Bandlücke
aufgebauten Spiegel von bemerkenswerter Perfektion sind.
Das Faszinierende ist, dass die Nutzung des Bandlückeneffekts die Möglichkeit
eröffnet, über Kilometer hinweg ein perfekt kontrolliertes MonomodeIntensitätsprofil in Querrichtung und eine mehr als 99-prozentige Überlappung von
Licht und einem gasförmigen oder flüssigen Kernfüllmaterial mit einem niedrigen
Brechungsindex aufrechtzuerhalten.
Schnittbild einer photonischen Kristallfaser: Deutlich
sichtbar ist die Struktur aus winzigen, parallel laufenden
Hohlfasern.
Die Fähigkeit, Licht in einem leeren Kern zu leiten, wobei weniger als ein Prozent
des Lichts im Glas selbst wandert, bedeutet auch, dass künftig mit photonischen
Kristallfasern sehr viel mehr Energie übertragen werden kann als mit „normalen“
Lichtwellenleitern. Das macht sie unter anderem für Applikationen in der
Materialbearbeitung hochinteressant.
ULTRANIEDRIGER VERLUST
Darüber hinaus bedeutet die geringe Licht-Glas-Überlappung, dass größere
Materialverluste, beispielsweise bei einer Wellenlänge von zehn Mikrometern
toleriert werden können. Bei einem entsprechenden Investitionsaufwand ist es
durchaus wahrscheinlich, dass es einem hochkarätigen Forschungs- und
Entwicklungsteam gelingt, für diese wichtige Wellenlänge unter Verwendung von
Infrarotgläsern hochleistungsfähige Hohlkern-PCFs mit ultraniedrigem Verlust zu
entwickeln.
Eine Herausforderung in den Bereichen der Mikrofluidik und der optischen
Pinzetten besteht darin, die optimale Kontrolle der viskosen Kräfte und der
Strahlungskräfte zu erreichen, die auf ein einzelnes Partikel oder eine einzelne
Zelle wirken, und gleichzeitig die optischen und chemischen Eigenschaften in einer
Fluidumgebung zu überwachen.
Innerhalb des Hohlkerns einer Photonischen Kristallfaser, die Laserlicht leitet,
kann ein dielektrisches Partikel lateral im hellen Zentrum der geführten Mode
eingefangen werden, während es entlang der Faserachse einer konstanten
Vortriebskraft ausgesetzt ist. Genaue Studien der Widerstandskräfte in einem
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engen, fluidgefüllten Mikrokanal werden möglich, da das Partikel im Zentrum der
einen geführten optischen Mode fixiert ist, was in ausgezeichnet reproduzierbaren
Strahlungsdrücken resultiert.
Das Video zeigt einen Vortrag von Prof. Philip Russell auf einem Symposium an der
University of California in Berkeley zum Thema Photonic Crystal Fibers.
Flüssigkeitsgefüllte Photonic Crystal Fibers mit Hohlkern könnten als flexible
optofluidische Kopplungen für den Transport von Partikeln oder Zellen von einem
mikrofluidischen Kreis in einen anderen eingesetzt werden. In der
biomedizinischen Forschung könnten winzige Mengen von Chemikalien (die
eventuell durch den transparenten Fasermantel fotoaktiviert werden) in eine Zelle
gebracht werden, die ortsfest gegen einen fluidischen Gegenstrom gehalten wird,
wodurch die Wirksamkeit von Arzneimitteln auf der Ebene einzelner Zellen
untersucht werden könnte.
NEUE LASERFREQUENZEN
Da Krebszellen einen anderen Brechungsindex haben als gesunde Zellen, ist es
vielleicht möglich, sie anhand ihrer unterschiedlichen Geschwindigkeiten bei der
Bewegung durch die Flüssigkeit zu unterscheiden. Nichtlineare Wechselwirkungen
zwischen Licht und Materie nehmen mit steigender Intensität des Lichts zu, was zu
zahlreichen faszinierenden Phänomenen führt, etwa der Erzeugung neuer
Laserfrequenzen.
Gasgefüllte Hohlkern-PCFs sind ideal für die Untersuchung derartiger
nichtlinearer Wechselwirkungen in Gasen. Die sehr geringe optische Attenuation
ermöglicht nahezu unbegrenzte Weglängen und die monomodale Führung erhält
eine konstante Gas-Licht-Überlappung aufrecht. Ein Beispiel ist die
rückwärtsstimulierte Raman-Streuung in Wasserstoffgas.
Moleküle sind bei Umgebungstemperatur in einem konstanten Zustand zufälliger
Bewegung. Geht ein Laserpumpstrahl durch sie hindurch, agieren sie als
nanoskalige Phasenmodulatoren, wobei durch Frequenzmodulation optische
Seitenbänder generiert werden. Oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts der
Pumpleistung erfolgt mit sehr hoher Effizienz eine Konversion in das eine
niedrigere Frequenz aufweisende Stokes-Seitenband.
Dieser Effekt wird als stimulierte Raman-Streuung (SRS) bezeichnet und häufig zur
Konversion der Wellenlänge von Laserlicht genutzt. In jüngsten Studien haben wir
Einschwingvorgänge bei der Rückwärts-SRS über längere
Wechselwirkungsstrecken untersucht. Bei unserem Experiment wurden Pumppulse
in eine mit Wasserstoff gefüllte PCF eingekoppelt, während ein schwacher StokesPuls vom anderen Ende eingekoppelt wurde.
WECHSELWIRKUNG VON LICHT UND MATERIE
Beim Durchgang durch den gegenläufigen Pumppuls wird der rückwärtsgerichtete
Stokes-Puls kontinuierlich stärker und erreicht einen Spitzenwert, der weit über
der Pumpleistung liegt. Gleichzeitig versteilt sich sein Profil und seine zeitliche
Dauer sinkt weit unter die Phasenabklingzeit der molekularen Schwingungen.
Photonic Crystal Fibers sind eine neue Generation von flexiblen Lichtwellenleitern,
die einzigartige Möglichkeiten zur Verbesserung der Wechselwirkung von Licht
und Materie bieten und sich in vielen Bereichen einsetzen lassen, darunter
biomedizinische, chemische und ökologische Sensorik, gasbasierte nichtlineare
Optik, Erzeugung von Breitband-Weißlicht-Superkontinua und
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Hochleistungslaserlichtabgabe.
Prof. Philip Russel
Prof. Philip Russell entwickelte in den 90er-Jahren die Idee und das
Herstellungsverfahren für photonische Kristallfasern. Gegenwärtig ist er Direktor
am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen.
E-Mail an den Autor: [email protected]
Dieser Artikel erschien erstmals im Sommer 2010.
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