Eingesperrtes Licht. Photonische Kristallfasern

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Sie besitzen einen Kernbereich mit einem Durchmesser von ungefähr 9 µm, der von einem ringförmigen Mantel aus hochreinem Quarzglas umhüllt ist. Zwischen Kern und Mantel ändert sich ihr Brechungsindex um ungefähr 1 %, was totale interne Reflexion an der Grenzfläche zwischen beiden ermöglicht. Das Glas des Kernbereiches hat dabei eine erstaunliche gute optische Qualität von 5 km/dB (oder 0,2 dB/km,das entspricht einem Verlust von 4,5 % pro km). Licht kann somit in einer einzigen Mode innerhalb eines extrem kleinen Kerns durch Ozeane und über Kontinente hinweg geführt werden – natürlich mit Zwischenverstärkern. Das löst eigentlich schon unsere Problemstellung. Tatsächlich erbrachte die Anwendung solcher Telekommunikationsfasern in der nichtlinearen Optik viele fundamentale Resultate,die auf der Lichtführung innerhalb eines Festkörpers über weite Distanzen basieren. Noch besser wäre ein solcher geführter Lichttransport durch Vakuum, denn er wäre mit noch weniger Verlusten behaftet. Doch mit welcher Faserarchitektur wäre dieser realisierbar? Die Antwort ist klar: Hohlkernfasern bieten erstmals eine praktikable und effiziente Lösung für dieses Problem. Der weltbeste Spiegel? Generell könnte der Mantelbereich einer Hohlkern-PCF als der weltbeste optische Spiegel angesehen werden. Das zeigt die folgende Abschätzung. Die Anzahl der Reflexionen Nb an den Grenzflächen für eine Faser der Länge L mit einem Kerndurchmesser d bei der Vakuumwellenlänge λ0 ist gegeben durch: N b = L d ( d z ) – , 2 π / λ 1 01 dabei liegt die erste Nullstelle der ersten Bessel-Funktion J0 bei z01 = 2,405. Betrachten wir eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 20 µm, dann wird bei einer Wellenlänge von 1,55 µm das Licht auf 1 km Weg etwa 2,8 Millionen Mal reflektiert. Wenn wir nun einen Verlust von 1 dB/km annehmen, so ergibt sich pro Reflexion theoretisch ein Verlust von 0,35 µdB. Das entspricht umgerechnet einer Reflektivität von 0,99999992. Zum Vergleich: In astronomischen Teleskopen erreichen silber- oder goldbeschichtete Hauptspiegel Reflektivitäten bis zu 0,98. Da das Licht entlang der Faserachse propagiert, findet jede Reflexion faktisch an einer neuen Position innerhalb der PCF – respektive an einem neuen Spiegel – statt. Das verdeutlicht, wie perfekt der gesamte Spiegel ist, der auf dem Prinzip der photonischen Bandlücke basiert. Nur bei konventionellen Telekommunikationsfasern mit einem germaniumdotierten Kern und einem undotierten Mantel ist die Grenzfläche zwischen beiden ein noch besserer Spiegel. Licht und Gas auf engstem Raum Die Hohlkern-PCF eröffnete neue Arbeitsbereiche in der Gaslaser-Physik,wobei die Forschung in diesem Gebiet erst am Anfang steht. Die Einschnürung des Lichtes innerhalb PHOTONISCHE KRISTALLFASERN | OPTIK ZIEHEN DER PHOTONISCHEN KRISTALLFASERN Die Stack-and-Draw-Technik zum Ziehen der photonischen Kristallfasern. Die Herstellung der PCF basiert auf der Stack-and-Draw-Technik. Zuerst werden bei einer Ofentemperatur von 2000 °C Quarzglaskapillaren im Faserziehturm gezogen (Schritt 1). In Schritt 2 werden sie dann entsprechend der gewünschten Struktur gestapelt. Dieser Stapel (engl. Stack) wird nun in ein Glasrohr eingeführt und zur Vorform, welche dieselbe Geometrie wie die herzustellende Faser aufweist, gezogen (Schritt 3). In Schritt 4 wird diese Vorform wiederum in ein Glasrohr eingeführt und dann zur eigentlichen Faser gezogen. des Hohlkerns auf kleinste Volumina sorgt für sehr große Lichtintensitäten,die mit einem darin befindlichen Gas über eine Länge im Kilometerbereich interagieren können. Das kann die nichtlineare Wechselwirkung mit den Gasmolekülen um bis zu sieben Größenordungen erhöhen. Ein Beispiel ist die stimulierte Raman-Streuung – also die inelastische Streuung, die zu einer Frequenzverschiebung des Streulichts führt. Beim Wasserstoffgas konnte die Schwellenenergie für stimulierte Raman-Streuung im Vergleich zu einer mit Wasserstoff gefüllten „normalen“ Kapillare mit einem einzigen Strahldurchgang um einen Faktor von 106 gesenkt werden. Das ist eine beispiellos große Verbesserung, © 2008 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.phiuz.de 4/2008 (39) | Phys. Unserer Zeit | 171 | Die Durchmesser von Vorform und Faser werden im Wesentlichen durch das Verhältnis zwischen Einführ- und Ziehgeschwindigkeit eingestellt. Die Einstellung der Lochdurchmesser erfolgt während des Faserziehens durch Anlegen von Druck oder Vakuum an die Vorform. Um die Faser vor Beschädigungen zu schützen, wird sie im Beschichter mit flüssigem Kunststoff ummantelt und dann im UV-Ofen ausgehärtet.
ABB. 4 | FASERBESCHLEUNIGER a) b) An einem in der Hohlkernfaser gefangenen Partikel streut das Laserlicht stark, das die Faser in ihrem Kern führt. Deshalb beschleunigt das Licht dieses Partikel konstant. Die Verluste der Faser begrenzen den Beschleunigungsvorgang schließlich. denn die nichtlineare Optik ist traditionell ein schwieriger und anspruchsvoller Bereich der Optik. Damit ist erstmals eine effiziente, auf einem Gaslaser basierende Frequenzkonversion realisiert, die schon unterhalb von 1 W Pumplichtleistung funktioniert. Eine solche frequenzwandelnde PCF-Gaszelle lässt sich in die optische Telekommunikationstechnik integrieren, indem man an ihren beiden Enden konventionelle Glasfasern anspleißt. Abb. 5 Alexander Podlipensky und Georgios Kakarantzas (Universität Erlangen) justieren eine Superkontinuumsquelle, die eine photonische Kristallfaser zur Verbreiterung der Frequenz nutzt. Die Pumpquelle ist hier ein gepulster Mikrochip- Laser (600 ps Pulslänge), der im Infraroten bei 1064 nm emittiert. Oben rechts: Das Fernfeld der Ausgangsmode (Far-field Pattern). Unten rechts: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der im Experiment verwendeten PCF. Damit sind solche Anwendungen erstmalig für die Telekommunikationsindustrie zugänglich [3]. Auf diesem Gebiet sind viele weitere Anwendungen denkbar, beispielsweise ultrasensitive Gas- und Dampfsensoren oder auf Azetylen basierende Frequenzstandards im Telekommunikationsband um 1,55 μm. Besonders aktuell sind Fragestellungen,die sich verstärkt auf nichtlineare Prozesse konzentrieren. Dazu zählen die Generation von höheren Harmonischen (High Harmonic Generation, HHG), sättigbare Absorption oder die spektrale Verbreiterung. Letztere spielt bei der Konstruktion heutiger optischer Frequenzkämme eine wichtige Rolle, worauf ich weiter unten zurückkommen werde. Ein weiteres, hochgradig relevantes Teilgebiet sind Quanteneffekte in PCF: Dort hat zurzeit vor allem die elektromagnetisch induzierte Transparenz (Electromagnetically Induced Transparency,EIT) eine große Bedeutung [4]. Bei der EIT wird durch kohärente Kopplung zweier atomarer Übergänge die Lichtabsorption auf einem der Übergänge unterdrückt. Dieses kann zum Beispiel ausgenutzt werden, um Licht dieser Resonanzwellenlänge deutlich abzubremsen (Slow light). Laser-Raketenantrieb In vielen Forschungsbereichen werden die von Lasern bereitgestellten Dipolkräfte dazu verwendet, um Objekte in der Größe von Mikro- oder Nanometern zu bewegen oder zu manipulieren, zum Beispiel in optischen Pinzetten (siehe Physik in unserer Zeit 2008, 39(1), 15). In diesem Zusammenhang bieten Hohlkern-PCF eine einzigartige Eigenschaft: In ihrem leeren Kern lassen sich Partikel, Moleküle oder sogar einzelne Atome einfangen, mit Licht wie in einem Rohr führen und sogar beschleunigen (Abbildung 4). Die üblichen optischen Pinzetten verwenden einen Laserstrahl, der mit einer Linse fokussiert wird und somit der Beugung unterliegt: Das limitiert die Beschleunigung des erfassten Partikels. Hohlkern-PCF ermöglichen dagegen eine konstante Partikelbeschleunigung innerhalb ihres Kerns über extrem lange Distanzen. Sie ist mit einer Rakete vergleichbar, die von Laserlicht angetrieben wird. Wir betrachten ein Partikel mit dem Radius rp und der Dichte ρp, das mit einer Laserlichtleistung P durch den Kern einer Faser mit dem Radius rc getrieben wird. Nach Beschleunigung über eine Strecke L erreicht das Partikel die Geschwindigkeit v = 3LPn , 2 r r c p p ρ c wobei n der effektive Modenindex (Phasenindex) der betrachteten Mode und c die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist. Wir nehmen nun ein Partikel aus Polystyrol (ρp = 1,0 kg/m 3 ) mit einem Durchmesser von 100 nm an, das in eine Hohlkern-PCF mit einem Kerndurchmesser von 10 µm platziert und einer Leistung von 1 W ausgesetzt wird. Nach unserer Abschätzung erreicht es nach einem Beschleunigungsweg von 100 m eine Geschwindigkeit von 28 km/s, 172 | Phys. Unserer Zeit | 4/2008 (39) www.phiuz.de © 2008 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Seite 1 und 2: DOI: 10.1002/piuz.200801166 Photoni
Seite 3: Abb. 2 Rasterelektronenmikroskopisc
Seite 7: Glasbläserei auf mikroskopischer E

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