Analyse mit Licht Hohle Glasfaser trotzt UV-Licht

Autor / Redakteur: Dr. Michael H. Frosz und Prof. Dr. Piet O. Schmidt / Peter Königsreuther

Forschungen des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) und des Quest-Instituts in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt führten zu einer besonderen Hohl-Glasfaser, die wesentlich robuster gegen UV-Licht ist. Ihr Einsatz kann zu Verbesserungen von Analysen in den verschiedensten Disziplinen führen, wie es heißt.

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Mikrososkopaufnahme einer Hohlkernfaser, deren Einsatz zur Leitung von UV-Laserlicht zur Verbersserungen bei spektroskopischen Analysen führen wird. Auch sind sie für Untersuchungen an Atomen und Ionen oder zur Anwendung in Quantencomputern sowie zu biologischen Forschungen geeignet, wie die Experten des Max-Planck-Instituts in Erlangen berichten.
Mikrososkopaufnahme einer Hohlkernfaser, deren Einsatz zur Leitung von UV-Laserlicht zur Verbersserungen bei spektroskopischen Analysen führen wird. Auch sind sie für Untersuchungen an Atomen und Ionen oder zur Anwendung in Quantencomputern sowie zu biologischen Forschungen geeignet, wie die Experten des Max-Planck-Instituts in Erlangen berichten.
(Bild: Max-Planck-Institut)

Wer Licht in Glasfasern auf die Reise schicken will, und zwar möglichst verlustfrei, nimmt am besten Infrarotlicht, so wie es etwa bei den weltweitenTelekommunikationsnetzwerken der Fall ist. Aber für bestimmte Anwendungen, etwa für spektroskopische Untersuchungen an Ionen oder Atomen, braucht man (Laser-)Licht im ultravioletten Spektralbereich, das jedoch herkömmliche Glasfasern schnell zerstört. Nun haben Forscher des Max-Planck-Institutes für die Physik des Lichts (MPL) in Erlangen und des Quest-Instituts in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) eine neue Sorte von Glasfasern mit einem hohlen Kern erprobt und festgestellt: Diese Fasern leiten UV-Laserlicht zerstörungsfrei und mit akzeptablen Verlusten. Ihre Untersuchungen, über die sie jüngst in der Zeitschrift Optics Express berichteten, sind für viele Anwendungen interessant: Neben der Präzisionsspektroskopie an Atomen oder Ionen und dem Einsatz in optischen Atomuhren und Quantencomputern sind das etwa die Fluoreszenzmikroskopie in der Biologie, die Untersuchung von Prozessplasmen, Verbrennungsstudien an Ruß oder die Spektroskopie von Treibhausgasen.

Übliche Glasfasern werden schnell zerstört

Bisherige Glasfasern besitzen einen festen Glas-Kern. Er ist eingehüllt in einen Mantel aus einem optisch dünneren Material. Die Gesetze der Physik sorgen dafür, dass ein Lichtstrahl über Totalreflexion in einer solchen Faser festgehalten wird und ohne wesentliche Verluste über große Strecken transportiert werden kann. Daher werden solche Glasfasern weltweit breit eingesetzt, um Licht der verschiedenen spektralen Bereiche zu transportieren: vom Infrarot- bis hin zum sichtbaren Licht. Aber kurzwelligeres UV-Licht wird von den meisten für solche Fasern verwendeten Glassorten stark absorbiert, und es zerstört die Fasern schnell.

Bauform der Faser schützt vor UV-Licht

Am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen experimentiert man schon seit einigen Jahren mit anderen Glasfaser-Sorten. Jetzt hat sich gezeigt, dass eine bestimmte Bauart besonders gut für UV-Licht geeignet ist: eine mikrostrukturierte photonische Kristallfaser (PCF) mit einer sogenannten Kagomé-Struktur (einem speziellen Muster aus regelmäßig angeordneten Drei- und Sechsecken) und einem hohlen Kern von 20 µm Durchmesser. Durch diesen Kern wird das Licht einmodig, das heißt, mit einer räumlichen Intensitätsverteilung, die der Form einer Gauß'schen Glockenkurve ähnelt - geleitet. Die entscheidende Frage, ob das wirklich einmodig und zerstörungsfrei geschieht, sollten die Messtechnik-Experten vom Quest-Institut in der PTB beantworten. Ihr Ergebnis: Bei dem verwendeten UV-Strahl mit einer Wellenlänge von 280 nm war ein einmodiges Transmissionsverhalten festzustellen, und selbst nach mehr als 100 Stunden Betriebsdauer bei einer Leistung von 15 mW traten keine UV-induzierten Schäden auf.

Dem Quantencomputer einen Sprung näher...

Auch einen ersten Anwendungstest bestanden die neuen Fasern: Die Quest-Forscher setzten sie erfolgreich für ihre spektroskopischen Untersuchungen an gefangenen Ionen ein. Der durch die neue Faser stabilisierte UV-Laserstrahl ermöglichte es, den internen Zustand der Ionen besser abzufragen. Neben den Anwendern solcher spektroskopischen Untersuchungen, etwa in Astronomie, Chemie oder Grundlagenforschung in der Physik, könnte das auch denjenigen Forschern nützen, die Quantencomputer entwickeln. Denn die internen Zustände eines Teilchens stellen dabei die neuen digitalen Nullen und Einsen dar.

Die Originalveröffentlichung:

F. Gebert, M. H. Frosz, T. Weiss, Y. Wan, A. Ermolov, N. Y. Joly, P. O. Schmidt, P. St. J. Russell: Damage-free single-mode transmission of deep-UV light in hollow-core PCF. Optics Express 22, 15388 (2014)

MM

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