Hohle Glasfasern leiten auch UV-Licht

Glasfaser-Makkaroni: Herkömmliche Glasfasern scheitern bei der Leitung von UV-Licht – dieses ist aber für präzise spektroskopische Untersuchungen unersetzlich. Deutsche Wissenschaftler haben darum neue Glasfasern mit speziellem Querschnitt entwickelt, die auch UV-Licht zuverlässig weiterleiten: Ein hohler Kern macht’s möglich.

UV-Licht verursacht nicht nur Sonnenbrand, es zerstört auch herkömmliche Glasfasern. Während sichtbares Licht und Infrarotstrahlung nahezu verlustfrei durch Telekommunikationsnetze aus Glasfaserleitungen um die ganze Welt rasen, wird die energiereiche UV-Strahlung vom Glaskern der Faser zu stark absorbiert: Es entstehen hohe Verluste, und die Leitung hält der Belastung nicht lange stand.

UV-Licht: Für manche Zwecke unersetzlich

Für bestimmte Zwecke, wie etwa spezielle spektroskopische Untersuchungen an Atomen, ist jedoch UV-Licht unbedingt notwendig. Entsprechende Instrumente mussten bislang ohne Glasfaser-Technologie auskommen. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) in Erlangen und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig haben eine Lösung für dieses Problem gefunden. Deren neue Fasern leiten auch UV-Licht, ohne die Leitung zu beschädigen und mit akzeptablen Verlusten. Der Trick der dies ermöglicht: Die neuen Glasfasern sind hohl wie Makkaroni.

Bisherige Glasfasern haben einen festen Kern aus Glas, welcher in einen Mantel mit einer geringeren optischen Dichte eingehüllt ist. Die Gesetze der Physik sorgen dafür, dass ein Lichtstrahl im Inneren des Kerns an der Außenhülle vollständig reflektiert wird und sich so ohne große Verluste über große Strecken durch den Lichtwellenleiter bewegt.

Die neuen Fasern aus dem MPL haben jedoch einen ganz anderen Aufbau: Die „mikrostrukturierte photonische Kristallfaser“ (PDF) hat eine sogenannte Kagomé-Struktur – ein besonderes Muster aus regelmäßig angeordneten Drei- und Sechsecken, dass im Querschnitt der Faser erkennbar ist. Außerdem haben diese Glasfasern einen hohlen Kern von 20 Mikrometern Durchmesser.

Die gemessenen Intensitätsprofile bei verschiedenen Einstrahlrichtungen des UV-Strahles zeigen, dass das Licht einmodig ist: im Zentrum ist die Intensität am höchsten. © PTB

Effizient gebündelter UV-Strahl

Dieser hohle Kern leitet das Licht, und zwar so, dass es im Zentrum am stärksten ist, zu den Rändern hin jedoch an Intensität abnimmt. Dadurch entsteht ein besonders effizient gebündelter Lichtstrahl wie bei einem Laser. Die Wissenschaftler bezeichnen diese Verteilung als einmodig. Und genau auf diese Verteilung kommt es bei der neuen Makkaroni-Glasfaser an. Die Messexperten der PTB unterzogen die Faser daher genauesten Prüfungen. Das Ergebnis: UV-Licht einer Wellenlänge von 280 Nanometern verhielt sich in der Tat einmodig. Außerdem zeigte die Faser auch nach über 100 Stunden Dauerbetrieb keinerlei Schäden.

Diese stabile UV-Lichtleitung testeten die Wissenschaftler auch in der Spektroskopie. Mit dem in der Faser stabilisierten UV-Laserstrahl konnten sie den internen Zustand von gefangenen, geladenen Atomen noch präziser bestimmen als mit bisherigen Methoden. Diese internen Zustände sind unter anderem in Quantencomputern von Bedeutung, wo sie den Nullen und Einsen der Datenverarbeitung entsprechen können. Weitere mögliche Anwendungsfelder der hohlen Glasfaser sind optische Atomuhren, Fluoreszenzmikroskopie oder auch die spektroskopische Analyse von Treibhausgasen.

(Optics Express, 2014; doi: 10.1364/OE.22.015388)

(Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 04.07.2014 – AKR)