„Zwitschernde“ Fasern für ungebremste Lichtblitze

Berliner Forscher haben eine neuartige optische Faser entwickelt, die mit noch nie dagewesener Präzision ultrakurze Lichtimpulse weiterleiten kann. Sie übertrugen bei ihren Experimenten Lichtpulse einer Dauer von 13 Femtosekunden (fs) über eine Länge von einem Meter, wobei sich die Dauer der Impulse nur etwa verdoppelte. Eine Femtosekunde entspricht einem Milliardstel einer Millionstel Sekunde.

„Keine andere Fasertechnologie kann das momentan leisten“, sagt Günter Steinmeyer vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI). In den Experimenten der Forscher dehnten andere, ähnlich gebaute Fasern den gleichen Impuls dagegen auf fast 50-fache Dauer aus. Die neuen Fasern könnten beispielsweise in der Medizin zur Anwendung kommen, um Femtosekundenimpulse flexibel zum Patienten zu übertragen. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in der aktuellen Online-Ausgabe von „Nature Photonics“.

Ein Rohr aus Röhrchen

Die Faser aus dem MBI besteht aus vielen einzelnen Glasröhrchen und führt das Licht auf einem Durchmesser, der etwa der Hälfte der Dicke eines menschlichen Haares entspricht. Im Gegensatz zu herkömmlichen optischen Hohlfasern, wo alle Röhrchen gleich groß sind, ändert sich in der neuen Faser der Durchmesser der Röhrchen von außen nach innen.

Man kann sich das vorstellen wie Strohhalme, die mit den Seiten aneinander geklebt werden, immer einer neben den nächsten. Fügt man den ersten und den letzten Halm aneinander, entsteht aus diesen Röhrchen selbst wieder ein Rohr. Dasselbe Gebilde stellt man noch einmal her, jetzt aber mit „Strohhalmen“, die einen geringeren Durchmesser haben.

Die MBI-Forscher haben quasi fünf solcher Rohre aus Röhrchen ineinander geschachtelt. Die Forscher nennen diese Struktur „gechirpt“ und verwenden für ihre neue Faser die Abkürzung CPCF (chirped photonic crystal fibre). Der Begriff Chirp kommt aus dem Englischen und bedeutet „Zwitschern“. In der Optik wird er immer dann verwendet, wenn innerhalb einer periodischen Struktur die Periode langsam und systematisch in eine Richtung verändert wird, so wie hier der Durchmesser der Röhrchen.

Viele Anwendungsmöglichkeiten

Senden die Forscher nun ultrakurze Lichtimpulse durch die Faser, führt diese besondere Struktur dazu, dass störende Resonanzen der Röhrchen sich über verschiedene Wellenlängen verteilen, also weit weniger störend wirken, als wenn alle Röhrchen den gleichen Durchmesser haben. Hergestellt haben die Faser Wissenschaftler der Universität Saratow in Russland.

Eine spezielle medizinische Anwendung sehen die Forscher in der photodynamischen Therapie. Hier werden in Tumorzellen lichtempfindliche Stoffe angereichert, die bei Bestrahlung toxische Substanzen erzeugen, die den Tumor dann selektiv zerstören. Durch Einsatz ultrakurzer Impulse ließe sich diese Therapie noch nebenwirkungsärmer gestalten, da eine effiziente Absorption nur im unmittelbaren Fokusbereich erfolgt. Unmittelbar darüber- oder darunterliegende Gewebeschichten bleiben praktisch ohne jedwede Wechselwirkung. Bisher fehlte jedoch eine Faser, mit der man solche Impulse flexibel und verzerrungsfrei endoskopisch zum Patienten leiten kann.

Auch für diagnostische Zwecke in Biologie und Medizin könnte sich die gechirpte Faserstruktur eignen, etwa für die Zweiphotonenmikroskopie, die eine dreidimensionale Auflösung kleinster biologischer Strukturen bei effektiver Streulichtunterdrückung ermöglicht.

(idw – Forschungsverbund Berlin, 15.10.2008 – DLO)