Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Glasfaser mit Einstein-Effekt

05.01.2017

Verdrillte photonische Kristallfasern leiten Licht auf ähnliche Weise wie ein durch große Massen gekrümmter Raum

Einen neuen Mechanismus, Licht durch Glasfasern zu leiten, haben Forscher des Erlanger Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts in photonischen Kristallfasern entdeckt. Photonische Kristallfasern werden der Länge nach von regelmäßig angeordneten hohlen Kanälen durchzogen.


Kernlose Glasfaser: Wenn eine photonische Kristallfaser verdrillt ist, braucht sie keinen Kern mit einem anderen Brechungsindex, um Licht in ihrem Inneren zu bündeln.

© Science 2016/MPI für die Physik des Lichts

Die Erlanger Physiker haben nun beobachtet, dass Licht durch eine schraubenförmig verdrillte photonische Kristallfaser auf ähnliche Weise geleitet wird wie durch das Weltall, wenn dessen Raum wie von der Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben durch die Schwerkraft etwa eines Sterns gekrümmt wird. Glasfasern, die den Effekt ausnutzen, könnten als Umweltsensoren oder Leiter von besonders starken Laserpulsen dienen.

Kernlose Glasfaser: Wenn eine photonische Kristallfaser verdrillt ist, braucht sie keinen Kern mit einem anderen Brechungsindex, um Licht in ihrem Inneren zu bündeln.

Glasfasern wirken wie Rohre für Licht. Und so wie deren Hohlraum von einer Wand umschlossen wird, bestehen auch Glasfasern normalerweise aus einem lichtleitenden Kern, dessen Glas einen höheren Brechungsindex besitzt, als das Glas der äußeren Hülle der Faser. Der Unterschied im Brechungsindex führt dazu, dass das Licht an der Hülle reflektiert und im Kern gehalten wird wie Wasser in einem Rohr.

Einem Team um Philip Russell, Direktor am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, ist es nun zum ersten Mal gelungen, das Licht in einer photonischen Kristallfaser (PCF) zu leiten, die ohne einen solchen Kern auskommt.

Photonische Kristalle färben Schmetterlinge und leiten Licht

Photonische Kristalle bestehen oft aus Glas mit Hohlräumen, die in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind. Da das Glas und die Luft unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, entsteht eine periodische Struktur des Brechungsindex. Dieser Struktur verdanken die Materialien den Namen Kristall, weil Atome etwa in einem Salzkristall ein geordnetes dreidimensionales Gitter bilden. Im gewöhnlichen Kristall bestimmt diese 3D-Struktur das Verhalten der Elektronen. So entstehen etwa elektrische Isolatoren, Halbleiter oder Leiter.

Von den 3D-Strukturen der photonischen Kristalle hängen auf analoge Weise deren optischen Eigenschaften ab. So geben photonische Kristalle den Flügeln mancher Schmetterlinge die schillernden Farben. Die Kontrolle der optischen Eigenschaften der Materialien ermöglicht aber auch vielfältige Anwendungen. Mit ihnen ist es möglich, Licht auf Bahnen zu leiten, ähnlich wie Strom in elektronischen Schaltungen.

Das verspricht unter anderem Computer, die im wahrsten Sinne des Wortes mit Lichtgeschwindigkeit rechnen. Heute bereits werden sie als Bauelemente in der Telekommunikation eingesetzt, etwa um Lichtsignale um äußerst enge Kurven zu lenken. Mit den photonischen Kristallen in Form von Fasern, die Philip Russell und seine Mitarbeiter am Erlanger Max-Planck-Institut entwickelt haben, lassen sich etwa bestimmte Wellenlängen aus dem optischen Spektrum filtern oder es lässt sich mit ihnen besonders weißes Licht erzeugen.

Wie alle in der Telekommunikation verwendeten Glasfasern, besitzen auch die derzeit gebräuchlichen photonischen Kristallfasern einen Kern und eine Hülle mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Dabei verleihen in PCF bereits die luftgefüllten Kanäle dem Material einen anderen Brechungsindex, als ihn ein solider Kern aufweist.

Die Öffnungen definieren den in einer photonischen Kristallfaser

„Uns ist es erstmals gelungen, Licht durch eine kernlose Faser zu leiten“, sagt Gordon Wong vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen. Die Forscher rund um das Team von Philip Russell haben eine photonische Kristallfaser hergestellt, die der Länge nach und über den gesamten Querschnitt von vielen luftgefüllten Röhrchen von etwa einem tausendstel Millimeter Durchmesser durchzogen wird.

Während der Kern einer herkömmlichen PCF keine Kanäle aufweist, erinnert der Querschnitt der neuen Glasfaser an ein Sieb. Die Löcher haben gleichmäßige Abstände und sind so angeordnet, dass jedes Loch von einem regelmäßigen Sechseck aus benachbarten Löchern umgeben ist. „Diese Struktur definiert den Raum in dieser Faser“, erklärt der Erstautor der Arbeit Ramin Beravat. Man kann sich die Öffnungen wie Abstandsmarken vorstellen. Demnach besitzt das Innere der Faser eine Art künstliches Raumgefüge, das durch das regelmäßige Gitter aus Hohlräumen aufgespannt wird.

„Wir haben die Faser nun in verdrillter Form hergestellt“, fährt Beravat fort. Durch das Verdrillen laufen die Hohlkanäle in Schraubenlinien entlang der Faser. Die Forscher sendeten dann Laserlicht durch die Faser. Eigentlich würde man für den gleichmäßigen, kernlosen Querschnitt erwarten, dass sich das Licht zwischen den Löchern des Siebs verteilt, und zwar genauso gleichmäßig wie es deren Muster vorgibt, also am Rand nicht weniger als in der Mitte. Stattdessen beobachteten die Physiker Erstaunliches: Das Licht konzentrierte sich auf den zentralen Bereich, wo sich bei einer herkömmlichen Glasfaser der Kern befindet.

In einer verdrillten PCF folgt das Licht dem kürzesten Weg im Faser-Inneren

„Der Effekt ist analog zur Krümmung des Raumes durch eine Masse in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie“, erklärt Wong. Demnach verformt eine schwere Masse wie die Sonne den sie umgebenden Raum – genauer: die Raumzeit, also die Vereinigung der drei Raumdimensionen mit der vierten Dimension, der Zeit –, wie eine Gummihaut, in die man eine Bleikugel legt. Licht folgt dieser Krümmung. Der kürzeste Weg zwischen zwei Punkten ist dann eben nicht mehr eine gerade Linie, sondern eine Kurve. So werden bei einer Sonnenfinsternis Sterne sichtbar, die eigentlich hinter dem Zentralgestirn liegen. Physiker sprechen bei solchen kürzesten Verbindungswegen von geodätischen Linien.

„Durch das Verdrillen der Faser wird der ‚Raum’ in unserer photonischen Kristallfaser ebenfalls verdrillt“, sagt Wong. Dies führe zu spiralförmigen geodätischen Linien, die das Licht gefangen hielten. Das lässt sich intuitiv verstehen, wenn man berücksichtigt, dass Licht immer den kürzesten Weg durch ein Medium nimmt. Das Glas zwischen den luftgefüllten Kanälen beschreibt Spiralen. Diese definieren mögliche Wege für das Licht. Der Weg durch die weiten Spiralen am Rand der Faser ist nun aber länger als der durch die engeren Spiralen in ihrem Zentrum. Also folgt das Licht den Spiralen im Innern der Faser.

Eine verdrillte PCF als großflächiger Umweltsensor

Je stärker die Faser verdrillt war, auf desto engerem Raum konzentrierte sich das Licht. Das entspricht in der Analogie zu Einsteins Theorie einer größeren Gravitationskraft und somit einer stärkeren Ablenkung des Lichtes. Die Erlanger Forscher schreiben, sie hätten einen „topologischen Kanal“ für das Licht geschaffen (Topologie beschäftigt sich mit den Eigenschaften des Raumes, die unter kontinuierlicher Verformung erhalten bleiben).

Die Forscher betonen, dass es sich bei ihrer Arbeit um Grundlagenforschung handelt. Sie gehören zu den weltweit wenigen Forschergruppen auf diesem Gebiet. Dennoch können sie sich einige Anwendungen ihrer Entdeckung vorstellen. Eine verdrillte Faser zum Beispiel, die in einigen Abständen weniger verdrillt ist, sodass ein Teil des Lichtes nach außen dringen kann. Licht könnte dann an diesen definierten Stellen mit der Umwelt in Wechselwirkung treten. „Das ließe sich für Sensoren anwenden, die etwa die Absorption eines Mediums vermessen“. Ein Netz aus solchen Fasern könnte als Umweltsensor großflächig Daten sammeln. Weil die Faser besonders starke Laserpulse ohne große Verluste leiten kann, wären zudem Anwendungen auch in diesem Bereich denkbar.


Ansprechpartner


Dr. Gordon Wong
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Telefon: +49 9131 7133-246
E-Mail: gordon.wong@mpl.mpg.de

Prof. Dr. Philip St. J. Russell
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Telefon: +49 9131 7133-200

Fax: +49 9131 7133-209
E-Mail: philip.russell@mpl.mpg.de

Originalpublikation
Ramin Beravat, Gordon K. L. Wong, Michael H. Frosz, Xiaoming Xi und Philip St. J. Russell

Twist-induced guidance in coreless photonic crystal fiber: A helical channel for light

Science Advances, 25. November 2016; doi: 10.1126/sciadv.1601421

Dr. Gordon Wong | Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Mikroplastik in Meeren: Hochschule Niederrhein forscht an biologisch abbaubarer Sport-Kleidung
18.09.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Flexibler Leichtbau für individualisierte Produkte durch 3D-Druck und Faserverbundtechnologie
13.09.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie