Mikrofluidik lässt Faserlaser in gewünschte Richtung strahlen

  • 15. March 2012

Photonische Kristalle und flüssigkeitsgefüllte Mikrokanäle ermöglichen neuartigen Laser.

Forscher am MIT haben einen Faserlaser entwickelt, der radial in eine gewünschte Richtung Licht abstrahlen kann. Zudem lässt sich der strahlende Bereich in der Faser hin und her bewegen. Diese Multifunktionalität wird durch winzige, flüssigkeitsgefüllte Kanäle in der Faser möglich.

Abb.: Der „flüssige“ Faserlaser strahlt radial Laserlicht in die gewünschte Richtung ab. (Bild: A. M. Stolyarov et al., Nature Photon.)

Abb.: Der „flüssige“ Faserlaser strahlt radial Laserlicht in die gewünschte Richtung ab. (Bild: A. M. Stolyarov et al., Nature Photon.)

Faserlaser, in denen Flüstergaleriemoden angeregt werden, können senkrecht zur Faserrichtung Laserlicht abstrahlen. In der Faser läuft das Licht dicht an der zylindrischen Faserwand entlang, indem es vielfach reflektiert wird – wie der Schall in einer Flüstergallerie. Als Flüstergalerie (engl. Whispering Gallery) bezeichnet man einen Ort, an dem sich Personen über eine ungewöhnlich große Distanz in normaler Lautstärke unterhalten können. Das Licht in der Faser wird schließlich tangential zum Zylindermantel abgestrahlt, wobei es parallel zur Faserachse polarisiert ist.

Wegen der tangentialen Abstrahlung des Lichtes ist es jedoch schwierig, solch einem Faserlaser eine bestimmte Abstrahlungsrichtung zu geben. Forscher um Yoel Fink vom MIT haben deshalb einen Faserlaser konstruiert, der sein Licht radial abstrahlt und dadurch völlig neue Möglichkeiten eröffnet.

Sie haben eine 0,4 Millimeter dicke Glasfaser hergestellt, die es in sich hat. Im Zentrum der Faser war ein 0,1 Millimeter breiter Kanal, der eine laseraktive Flüssigkeit aufnahm. Der Kanal war von 35 konzentrisch angeordneten Schichten umgeben, die abwechselnd aus Chalkogenidglass und Polykarbonat bestanden. Diese Schichtfolge bildete einen photonischen Kristall mit einer Transmissionsbandlücke bei 550 Nanometern.

Bestrahlte man die Flüssigkeit im Kanal mit Licht eines Nd:YAG-Lasers von 532 Nanometern, so wurden radiale Moden in der Faser angeregt. Der photonische Kristall wirkte dabei wie ein Spiegel von hoher Güte. Bei einer Pumpenergie von 165 Nanojoule gab die Faser in radialer Richtung Laserstrahlung ab, die linear polarisiert war. Die Wellenlängendifferenz der Lasermoden betrug ca. 1,8 Nanometer, was einer Resonatorlänge von 78 Mikrometern entsprach – in guter Übereinstimmung mit der Dicke des Faserkerns von 80 Mikrometern.

Die laseraktive Flüssigkeit war Wasser, das einen Farbstoff enthielt. Sie bildete in der Hohlröhre einen ca. einen Zentimeter langen Abschnitt und war von beiden Seiten von einer nichtmischenden Flüssigkeit umgeben. Mit einer kleinen Pumpe konnte so der strahlende Flüssigkeitsbereich hin und her geschoben werden. Die abgegebene Laserstrahlung umgab die Faser wie ein Ring, der stark fokussiert war. Denn die laseraktive Flüssigkeit strahlte nicht auf ihrer ganzen Länge, sondern nur in einem Bereich von etwa 100 Mikrometern, was der Eindringtiefe der anregenden Strahlung entsprach.

Schnelle Bewegungen der Farbstoffmoleküle im Wasser führten dazu, dass das Laserlicht radial in alle Richtungen gleich stark abgestrahlt wurde. Hingegen hatten die Forscher bei radial strahlenden Festkörperfaserlasern, deren Farbstoffmoleküle festsaßen, eine deutliche Abstrahlungscharakteristik beobachtet.

Die Forscher hatten noch vier weitere Kanäle sowie feine Drähte in die Glasfaser eingearbeitet, und zwar in deren Hülle. Die Kanäle liefen längs der Glasfaser und wurden mit einem Flüssigkristall gefüllt. Zunächst waren die Moleküle des Flüssigkristalls längs der Faserrichtung orientiert. Wurde aber eine hinreichend starke Spannung an die Drähte angelegt, so orientierten sich die Moleküle um. Das anfangs senkrecht zur Faserrichtung linear polarisierte Laserlicht änderte beim Durchqueren des Flüssigkristallkanals stetig seine Polarisationsrichtung, so dass es schließlich parallel zur Faser polarisiert war.

Indem die Forscher die Faser mit einer Polarisatorfolie umhüllten, die senkrecht zur Faser polarisiertes Laserlicht zurückhielt, erreichten sie, dass die Faser nur in eine bestimmte Richtung Laserlicht abstrahlte, wenn an den entsprechenden Flüssigkristallkanal eine Spannung angelegt war.

Durch die Elektrik und die Mikrofluidik ließ sich somit erreichen, dass von einem punktförmigen Bereich der Faser radial Laserstrahlung abgegeben wurde. Das könnte man in der Medizin ausnutzen, um mit einem Katheter in einem Blutgefäß gezielt erkrankte Bereiche zu bestrahlen, ohne das umgebenden gesunde Gewebe zu schädigen. Außerdem ist es auch denkbar, mit den neuen Faserlasern Displays herzustellen, die in unterschiedliche Richtungen unterschiedliche Bilder wiedergeben.

Rainer Scharf

PH

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