Glasfasern mit hohlem Minikern halten selbst UV-Laserlicht stand
Glasfasern mit einem winzigen Kern von 20 Mikrometern Durchmesser halten selbst Laserlicht im ultravioletten Spektralbereich stand. Die Erfindung der Max-Planck-Forscher aus Erlangen soll der Präzisionspektroskopie an Atomen und den Entwicklern der Quantencomputer zugute kommen.
Mikroskopische Aufnahme der Glasfaser: Die Hohlkammer in der Mitte ist nur 20 Tausendstel Millimeter breit. Sie macht die verlustfreie Übertragung des UV-Laserlichts möglich.
Foto: PTB
Mit ultraviolettem Laserlicht wollen Physiker indirekt in Ionen, also elektrisch geladene Teilchen, und komplette Atome schauen. Biologen können damit Vorgänge in lebenden Zellen sichtbar machen, Klimaforscher Treibhausgase in der Atmosphäre aufspüren. Dazu müssen sie Photodioden, die das Laserlicht erzeugen, direkt auf die Probe halten.
Übliche Glasfasern funktionieren bislang allerdings nicht als Lichtwellenleiter für den Transport der Lichtteilchen. Der UV-Laserstrahl wird vom Glas verschluckt. Genau die gleiche Wirkung hat beispielsweise Fensterglas. Das UV-Licht der Sonne dringt nicht durch, so dass die Haut nicht gebräunt wird. Während Fensterglas so dick ist, dass die paar Macken, die das UV-Licht hineinschlägt, nicht weiter auffallen, hat Licht mit dieser Frequenz verheerende Folgen für die extrem feinen Lichtwellenleiter. Sie werden innerhalb kurzer Zeit zerstört.
Glasfasern haben 20 Mikrometer kleinen Hohlkern
Robuster sind die Glasfasern, die am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen entwickelt worden sind. Anders als gängige Glasfasern besitzen sie keinen festen Kern aus hochreinem Spezialglas, sondern einen Hohlraum mit einem Durchmesser von 20 Tausendstel Millimetern.
Gemessene Nahfeld-Intensitäts-Profile einer Faser bei verschiedenen Einstrahlrichtungen des UV-Strahls. Die Profile zeigen, dass das Licht einmodig ist – es wird also mit einer räumlichen Intensitätsverteilung geleitet.
Quelle: PTB
Eingehüllt wird der feine Hohlzylinder von einer so genannten Kagomé-Struktur, einem speziellen Muster aus regelmäßig angeordneten Drei- und Sechsecken. Das UV-Licht flutscht gewissermaßen hindurch. An der Kagomé-Struktur prallt es ab wie ein Fußball von der Querlatte des Tors. Wie genau das passiert, können nicht einmal die Erlanger Forscher erklären. Aber es funktioniert.
Erster Anwendungstest mit Bravour bestanden
Ob das UV-Licht tatsächlich keinen Schaden anrichtet, wollten die Erlanger Physiker von einer unabhängigen Institution überprüfen lassen: der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Sie speisten einen UV-Strahl mit einer Wellenlänge von 280 Nanometern mit einer Leistung von 15 Milliwatt ein, einer für die Übermittlung von Daten via Licht üblichen Leistung.
Nach mehr als 100 Stunden konnten die Prüfer keine Schäden feststellen. Bei einem ersten Anwendungstest untersuchten sie mit Erfolg den inneren Zustand von Ionen, die sie zuvor isoliert, also gewissermaßen in einen Käfig gesperrt hatten. Das könnte auch den Entwicklern des sagenumwobenen Quantencomputers helfen. Denn Veränderungen des inneren Zustands repräsentieren die digitalen Informationseinheiten Eins und Null.
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