Optischer Memory-Effekt

  • 26. July 2017

Mit Flüssigkeit gefüllte optische Fasern zeigen eine neue Dynamik von Solitonen.

Jenaer Forschern ist es gelungen, breitbandiges Laserlicht im mittleren Infrarot­bereich mit Hilfe von flüssig­keits­gefüllten optischen Fasern zu erzeugen. Mit den Fasern lieferte das Wissen­schaftler-Team vom Leibniz-Instituts für Photo­nische Techno­logien, dem Fraunhofer-Insitut für Angewandte Optik und Fein­mechanik, der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Helmholtz-Instituts zudem experi­mentelle Beweise für eine neue Dynamik von Solitonen, die aufgrund der besonderen Eigen­schaften des Flüssig­kerns entsteht.

Abb.: Schematische Darstellung eines ultrakurzen Lichtpulses, der in der Faser in Solitonen aufbricht. (Bild: IPHT Jena)

Abb.: Schematische Darstellung eines ultrakurzen Lichtpulses, der in der Faser in Solitonen aufbricht. (Bild: IPHT Jena)

Aus einem ultra­schnellen inten­siven Laserpuls, den sie in die Faser einkoppeln, erzeugen die Wissen­schaftler ein sehr breites Licht­spektrum im nahen bis mittleren Infrarot­bereich (1,1 bis 2,7 µm). Aufgrund der besonderen Eigen­schaften des flüssigen Faserkerns, bricht der Lichtpuls in eine Vielzahl von Licht­wellen verschiedener Wellenlänge, den Solitonen, auf. Sie bilden das extrem breitbandige Laserlicht, das als Super­kontinuum-Lichtquelle für Anwendungen in der medi­zinischen Bildgebung, Mess­technik und Spektro­skopie unver­zichtbar ist.

Der einge­koppelte Lichtpuls bricht in der optischen Faser nur dann in Solitonen auf, wenn er nicht-linear mit Materie wechselwirkt. Im Fall der Flüssigkern­fasern bedeutet dies, dass sich die optische Dichte der Flüssigkeit im Kern stark mit der Intensität des einge­strahlten Lichts ändert. Nur wenige Materialien zeigen nicht-lineare optische Effekte und besitzen gleich­zeitig eine gute Lichtdurch­lässigkeit im Infrarotbereich. Mario Chemnitz, Mitarbeiter am Leibniz-IPHT, erklärt den unge­wöhnlichen Effekt: „Im Faserkern befindet sich Kohlenstoff­disulfid, eine flüssige chemische Verbindung, die das Licht sehr stark bricht. Strahlen wir nun polari­siertes Laserlicht ein, richten sich die Kohlenstoff­disulfid-Moleküle im elektro­magnetischen Feld des Lichts aus. Durch diese molekulare Orientierung hängt die optische Dichte und damit die Licht­ausbreitung in der Faser von der Intensität des Laser­lichts ab.“

Eine Besonder­heit bei Kohlenstoff­disulfid ist, dass sich die Moleküle mit einer bestimmten Zeit­verzögerung ausrichten. Ist der einge­strahlte Laser­lichtpuls viel kürzer als die Zeit, die die Moleküle zur Orien­tierung im optischen Feld benötigen, beobachten die Wissen­schaftler eine besondere, verzögerte Dynamik der entstehenden Solitonen. Sie wurde bereits im Jahr 2010 vorher­gesagt, doch erst jetzt gelang den Jenaer Forschern der experi­mentelle Nachweis und die exakte theo­retische Beschreibung der Prozesse. Mario Chemnitz beschreibt das Phänomen als einen optischen „Memory-Effekt“ der Flüssig­keit. Diese einzig­artige Eigenschaft der Flüssig­kernfasern sorgt dafür, dass die spektrale Bandbreite des in den Fasern erzeugten Lichts weniger fluktuiert. Damit bilden sie eine stabilere Alter­native zu bisher bekannten breit­bandigen Licht­quellen, die auf optischen Fasern aus Spezial­gläsern basieren.

IPHT / JOL

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