21.06.2018

Faserlaser mit flüssigem Kern

Füllung aus Kohlenstoffdisulfid weist eine hohe optische Dichte auf.

Die moderne medi­zinische Bildgebung und neue spektro­skopische Verfahren benötigen faser­basierte Licht­quellen, die breit­bandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarot­bereich erzeugen. Wissen­schaftler des Leibniz-Instituts für Photo­nische Techno­logien Jena – Leibniz-IPHT – zeigen nun, dass sie die optischen Eigen­schaften flüssigkeits­gefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laser­lichts gezielt über die Umgebungs­temperatur steuern können. Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoff­disulfid gefüllt, einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer Dichte.

Abb.: Schematische Darstellung des Faserlasers mit einem temperaturgesteuerten Superkontinuum. (Bild: Leibniz-IPHT)

In den Faserkern koppeln die Jenaer Forscher ultra­schnelle Pulse pola­risierten Laserlichts ein. Da die optische Dichte von Kohlenstoff­disulfid und dadurch die Geschwin­digkeit der Lichtaus­breitung im Kern von der Intensität des einge­strahlten Lichts abhängt, brechen die Pulse in eine Vielzahl von Solitonen, Licht­pakete verschiedener Wellen­länge, auf. Sie bilden das für das mensch­liche Auge nicht sichtbare, sehr breite Licht­spektrum im nahen bis mittleren Infrarot­bereich bei 1,2 bis 3,0 Mikrometer Wellen­länge. Vergangenes Jahr lieferten die Forscher bereits experi­mentelle Beweise für eine neue Dynamik der Solitonen, die aufgrund der nicht-linearen optischen Eigen­schaften des Flüssig­kerns entsteht. Nun ist es ihnen gelungen die Ausbreitung der Wellen­pakete und die Licht­erzeugung durch Temperatur- und Druck­unterschiede entlang der Faser zu kontrol­lieren. Damit realisierten sie neue, stabile Super­kontinuum-Licht­quellen mit flexibel einstell­barer spektraler Band­breite.

„Bisher steuerte man die Bandbreite des Licht­spektrums in Faser­lasern beispiels­weise über die Größe des Kerns aus Spezial­glas. Nach der Herstellung der Fasern ist man jedoch auf einen spektralen Bereich festgelegt. Flüssigkern­fasern mit ihren einzig­artigen thermo­dynamischen Eigen­schaften ermöglichen es uns, die Signal­wellenlängen nach Bedarf anzupassen oder gar ein gleich­mäßiges Spektrum zu erzeugen. Das ist für Bildgebungs­verfahren in der medi­zinischen Diagnostik interes­sant“, erklärt Mario Chemnitz, Doktorand am Leibniz-IPHT. Um das volle Potential der Faser­laser auszu­schöpfen, untersuchte das Jenaer Forscher-Team vom Leibniz-IPHT, der Friedrich-Schiller-Univer­sität, des Helmholtz-Instituts und des Fraunhofer-Instituts für Ange­wandte Optik und Fein­mechanik den Einfluss von Temperatur und Druck auf die Solitonen-Auf­spaltung im Flüssig­kern der Faser.

„Die Computer­simulationen und Experimente haben bewiesen, dass die Wellen­länge des ursprüng­lichen Solitons über den gesamten Temperatur­bereich konstant bleibt. Die Wellen­pakete, die aus dessen resonanter Ab­strahlung hervorgehen, zeigen allerdings eine temperatur­abhängige spektrale Verschiebung. Mit nur 13 Kelvin Temperatur­unterschied können wir die Band­breite der Abstrahlung um mehrere hundert Nano­meter verschieben“, sagt Chemnitz. Das Ziel der Forscher ist es, weitere geeignete Flüssig­keiten für optische Fasern zu untersuchen und so bislang unzu­gängliche Spektral­bereiche im mittleren Infrarot zu erschließen.

IPHT / JOL

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