Weltrekord in Farbe
Photonische Kristallfaser erzeugt Licht vom ultravioletten bis zum mittleren infraroten Bereich des Spektrums.
Licht ist heute ein wichtiges Werkzeug der Wissenschaft. Wenn Forscher die biochemischen Prozesse in Krebszellen verfolgen wollen, strahlen sie Licht verschiedener Farben in die Zelle und suchen mithilfe leuchtender Proteine Möglichkeiten, Tumore zu stoppen. Auch chemische Reaktionen lassen sich mit Licht beobachten und sogar steuern. Und in der Physik geht ohne Licht nicht viel, schließlich entlockt es Atomen, Molekülen und Kristallen in spektroskopischen Methoden zahllose Informationen über deren Strukturen und Eigenschaften. Eine Lichtquelle mit einem sehr breiten Spektrum dürfte daher viele Anwendungen finden – insbesondere, wenn die Helligkeit des Lichts über das ganze Spektrum gleich bleibt.
Abb.: Brillante Quelle für weißes Licht: Eine photonische Kristallfaser haben Forscher so maßgeschneidert, dass sie aus einem infraroten Laserpuls Licht mit einem besonders breiten Spektrum erzeugen können. (Bild: MPL)
Weißes Licht, das alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts enthält, lässt sich zwar auf vielfältige Weisen erzeugen. Wenn das Team von Philip Russell am MPI für die Physik des Lichts sehr kurze, infrarote Pulse mit relativ niedriger Energie durch eine photonische Kristallfaser schickt, entsteht aber 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.
Abb.: Gleichbleibend hell von ultraviolett bis infrarot: Die Intensität des mit einer photonischen Kristallfaser erzeugten Lichts bleibt über den gesamten Wellenlängenbereich nahezu gleich hoch. (Bild: MPL)
„Außerdem ist das Licht aus der photonischen Kristallfaser sehr hell, und zwar gleichbleibend über das ganze Spektrum“, so der Forscher weiter. Um das Licht zu erzeugen, reizte das Team von Russell die Möglichkeiten der photonischen Kristallfasern (PCF) weit aus. Die hohlen Kanäle, die für photonische Kristalle charakteristisch sind, wirken zum einen wie Leitplanken für die Lichtwellen und führen das Licht so gut, dass wenig verloren geht. Zum anderen manipuliert der photonische Kristall in der Faser die elektromagnetische Strahlung. Dieses Wechselspiel können die Forscher durch das Design der PCF meisterhaft steuern. „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.“
Mit ihrer Arbeit setzen die Wissenschaftler aber nicht nur Maßstäbe bei der Manipulation von Licht, sondern auch in der Materialwissenschaft. Denn erstmals zogen sie eine photonische Kristallfaser aus einem Material namens ZBLAN, das aus fünf Fluoridsalzen besteht, statt aus Quarzglas. Das galt bisher als unmöglich, weil man die Temperatur des Glases dafür gleichmäßiger halten muss, als es bisher möglich war. Während sich PCF aus Quarzglas in einem Temperaturbereich von 300 Grad Celsius herstellen lassen, darf die Temperatur bei der Herstellung der Fasern aus ZBLAN nur um wenige Grad schwanken.
Auf das schwierige Material setzten die Wissenschaftler nicht ohne Grund. Quarzglas, das bislang als Material der Wahl für PCF galt, wird von UV-Licht schnell zerstört – eine Faser aus diesem Glas würde also nur für kurze Zeit helles Licht von infrarot bis ultraviolett spenden. An der Faser aus ZBLAN haben die Forscher dagegen keinerlei Schäden festgestellt, obwohl sie damit über mehrere Monate hinweg jeweils einige Stunden täglich experimentiert haben.
MPG / RK
