Forscher der Universität Tampere haben erfolgreich ein neuartiges optisches Faserdesign entwickelt, das die Erzeugung von Regenbogenlaserlicht im elektromagnetischen Bereich des molekularen Fingerabdrucks ermöglicht. Diese neue optische Faser mit selbstreinigendem Strahl kann bei der Entwicklung von Anwendungen zum Beispiel für Schadstoffkennzeichnung, Krebsdiagnostik, Umweltüberwachung und Lebensmittelkontrolle helfen. Der Befund wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Wenn ein leistungsstarker ultrakurzer Lichtimpuls mit einem Material wie einer Glasfaser wechselwirkt, findet eine Reihe hochgradig nichtlinearer Wechselwirkungen statt, die komplexe Änderungen sowohl der zeitlichen als auch der spektralen Eigenschaften des eingestrahlten Lichts verursachen. Im Extremfall können solche Wechselwirkungen zur Erzeugung eines Regenbogenlichtlasers führen, der gemeinhin als Superkontinuum-Lichtquelle bezeichnet wird. Seit seiner ersten Demonstration in einem speziellen Glasfasertyp im Jahr 2000 hat Superkontinuum-Laserlicht viele Bereiche der Wissenschaft revolutioniert, von der Metrologie und Bildgebung mit beispielloser Auflösung über die Ultrabreitband-Fernerkundung bis hin zur Detektion von Exoplaneten.
Der derzeitige Engpass bei aktuellen Superkontinuum-Quellen besteht jedoch darin, dass sie auf optischen Fasern basieren, die ein einzelnes transversales Intensitätsprofil oder einen Modus unterstützen, was ihre optische Leistung von Natur aus begrenzt. Hinzu kommt, dass herkömmliche optische Fasern aus Quarzglas bestehen, dessen Transmission auf den sichtbaren und nahen Infrarotbereich des Spektrums beschränkt ist. Die Erweiterung des Superkontinuum-Lichts auf andere Wellenlängenbereiche wie das mittlere Infrarot erfordert optische Fasern aus sogenannten Weichgläsern, die jedoch eine niedrigere Zerstörschwelle als Siliziumdioxid besitzen, wodurch die Leistung des Superkontinuum-Strahls noch stärker begrenzt wird.
Quarzfreie optische Faser mit selbstreinigendem Strahl
Kürzlich wurde gezeigt, dass eine andere Art von Lichtleitfaser mit einem Brechungsindex, der sich kontinuierlich über die Faserstruktur ändert, eine dramatische Steigerung der Superkontinuumsleistung ergibt, während immer noch ein gleichmäßiges Strahlintensitätsprofil beibehalten wird. „Die Variation des Brechungsindex solcher Gradientenindex-Glasfasern führt zu einer periodischen Fokussierung und Defokussierung des Lichts innerhalb der Faser, was eine Kopplung zwischen räumlichen und zeitlichen nichtlinearen Licht-Materie-Wechselwirkungen ermöglicht. Dies führt zu einem Selbstreinigungsmechanismus, der Superkontinuumslicht mit ergibt hohe Leistung und ein sauberes Strahlprofil. Neben ihren vielen Anwendungen bieten sie auch die Möglichkeit, grundlegende physikalische Effekte wie Wellenturbulenzen zu untersuchen“, sagt Professor Goëry Genty, Leiter der Forschungsgruppe an der Universität Tampere.
Während diese Fasern in letzter Zeit große Aufmerksamkeit in der Forschungsgemeinschaft auf sich gezogen haben, war ihre Verwendung bisher auf das sichtbare und nahe Infrarot beschränkt. In Zusammenarbeit mit der Gruppe der Profs. Buczynski und Klimczak an der Universität Warschau (Polen) und der Gruppe von Prof. Dudley an der Universität Burgundy France-Comté (Frankreich) demonstrierte das Tampere-Team zum ersten Mal die Erzeugung eines Zwei-Oktaven-Superkontinuums vom Sichtbaren bis mittleres Infrarot in einer Nicht-Silica-Gradientenindexfaser mit einem selbstreinigenden Strahl.
„Dieses Problem wurde nun durch die Verwendung eines speziellen Designs gelöst, bei dem zwei Arten von Blei-Wismut-Gallat-Glasstäben mit unterschiedlichen Brechungsindizes verwendet werden, die gezogen werden, um einen nanostrukturierten Kern zu ergeben. Das Ergebnis ist eine Gradientenfaser mit einem effektiven parabolischen Brechungsindexprofil mit Transmission bis ins mittlere Infrarot und, als Sahnehäubchen, verstärkte nichtlineare Licht-Materie-Wechselwirkungen“, sagt Forscherin Zahra Eslami.
Großes Potenzial in Diagnostik und Monitoring
Das mittlere Infrarot ist von entscheidendem Interesse, da es die charakteristischen Schwingungsübergänge vieler wichtiger Moleküle enthält.
„Die neuartige Lösung wird zu effizienteren Superkontinuum-Lichtquellen im mittleren Infrarot mit vielen potenziellen Anwendungen führen, zB zur Schadstoffmarkierung, Krebsdiagnostik, maschinellen Bildverarbeitung, Umweltüberwachung, Qualitäts- und Lebensmittelkontrolle“, erklärt Genty.
Die Forscher gehen davon aus, dass dieser neuartige Fasertyp sehr bald zu einem wichtigen und standardmäßigen Material für die Erzeugung von Breitbandquellen und Frequenzkämmen werden wird.
Zahra Eslami et al., Zwei-Oktaven-Superkontinuumserzeugung in einer Nicht-Silica-Gradientenindex-Multimode-Faser, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29776-6
Zur Verfügung gestellt von der Universität Tampere