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Mittwoch, 28.09.2016
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Licht: Weltrekord in Farbe

Neuartige Kristallfaser erzeugt aus einem Laserstrahl multispektrales Licht von UV bis Infrarot

Bunter als ein Regenbogen: Physiker haben eine Kristallfaser entwickelt, die aus infrarotem Laserlicht weißes Licht macht. Das erzeugte Spektrum reicht dabei vom Infrarot bis in den kurzwelligen UV-Bereich – ein Weltrekord. Dieses breit aufgefächerte Licht könnte viele Untersuchungen in der biomedizinischen Forschung, der Physik und der Chemie erleichtern oder gar erst ermöglichen, wie die Forscher in "Nature Photonics" berichten.
Das Spektrum des in der neuen Kristallfaser erzeugten Lichts reicht vom UV (rechts) bis in das Infrarot.

Das Spektrum des in der neuen Kristallfaser erzeugten Lichts reicht vom UV (rechts) bis in das Infrarot.

Licht ist heute das wichtigste Werkzeug der Wissenschaft. So lassen sich viele chemische Reaktionen lassen sich mit Licht beobachten und sogar steuern. Laser dienen als Werkzeug, Datenträger, Sonden und sogar als Teilchenbeschleuniger.

UV-Licht zerstört Glasfasern


Das Problem dabei: Herkömmliche Glasfasern leiten zwar sichtbares und infrarotes Licht gut, werden aber vom energiereichen UV-Licht schnell zerstört. Philip Russell und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen haben nun eine photonische Kristallfaser entwickelt, die auch im UV-Bereich stabil ist. Solche Fasern werden ihrer ganzen Länge nach von hohlen Kanälen durchzogen, die sich symmetrisch um ihren Kern anordnen. Die hohlen Kanäle wirken wie Leitplanken für die Lichtwellen und führen das Licht so gut, dass wenig verloren geht.

Aufbau einer photonischen Kristallfaser - entscheidend ist die Anordnung der hohlen Kanäle

Aufbau einer photonischen Kristallfaser - entscheidend ist die Anordnung der hohlen Kanäle

Die Forscher konstruierten ihre Faser aus einem Material namens ZBLAN, das aus fünf Fluoridsalzen besteht. „Das galt bisher als unmöglich, weil man die Temperatur des Glases dafür konstanter halten muss, als es bisher möglich war“, sagt Koautor Xin Jiang. „Wir haben es jetzt geschafft, die Temperatur des Glases so präzise einzustellen, dass wir daraus Fasern ziehen können.“


Von Infrarot zum Vollspektrum


Das Kristallmaterial der neuen Faser ist nicht nur UV-stabil, es manipuliert auch die elektromagnetische Strahlung. „Das besonders breite Spektrum erhalten wir aus dem infraroten Puls, indem wir im Wesentlichen zwei Eigenschaften des Glases und der photonischen Kristalle ausnutzen“, erklärt Russell: „Zum einen ändert sich der Brechungsindex abhängig von der Intensität des Lichts. Zum anderen variiert die Geschwindigkeit der Lichtwellen mit ihrer Farbe.“

Wenn Russells Team sehr kurze, infrarote Pulse mit relativ niedriger Energie durch diese photonische Kristallfaser schickt, entsteht weißes Licht mit Rekordeigenschaften: „Mich begeistert am meisten, dass unser Licht einen so großen Teil des ultravioletten Bereichs im Spektrum abdeckt“, sagt Russell. „Gerade dafür gab es bisher keine vergleichbare Lichtquelle.“ Erst jetzt könne man daher Moleküle in einem Bereich untersuchen, in dem alte chemische Bindungen gelöst und neue geknüpft werden.

Gleichbleibend hell von ultraviolett bis infrarot: Spektrum des in der Faser erzeugten Lichts.

Gleichbleibend hell von ultraviolett bis infrarot: Spektrum des in der Faser erzeugten Lichts.

Hell auf der ganzen Bandbreite


„Außerdem ist das Licht aus der PCF sehr hell, und zwar gleichbleibend über das ganze Spektrum“, so Russell. „Für Anwendungen ist das besonders wichtig.“ Denn in vielen Studien brauchen Wissenschaftler zwar Licht mit einer großen Farbpallette, sie scannen ihr Untersuchungsobjekt aber mit verschiedenen Wellenlängen durch. Zu diesem Zweck filtern sie nacheinander jeweils möglichst schmale Streifen aus dem Farbspektrum. Dabei büßt das Licht viel Helligkeit ein. Es muss daher anfangs besonders hell sein, damit es trotzdem noch intensiv genug ist. (Nature Photonics, 2015; doi: 10.1038/nphoton.2014.320)
(Max-Planck Gesellschaft , 27.02.2015 - NPO)
 
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