Bild: Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (1)

Bild: Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (2)

Einzelne Mikropartikel lassen sich in hohlen photonischen Kristallfasern (hollow-core photonic crystal fibre, HC-PCF) mit optischen Pinzetten in Form zweier gegenläufiger Laserstrahlen manipulieren und über lange Distanzen bewegen. Diese Methode wird dazu genutzt, um in der Atmosphäre den Gehalt von Feinstaub mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Tausendstel Millimeter zu überwachen und um mit fliegenden Partikeln Sensoren zu bauen, die Strahlung, Temperatur und elektrische Felder mit hoher räumlicher Auflösung messen.

Nun hat die Physikerin Maria N. Romodina, Postdoc in der Emeritusgruppe von Philip Russell am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen, die Wechselwirkung eines optisch in Schwebe gehaltenen Mikropartikels in einer HC-PCF mit einem einzelnen Laserpuls untersucht, der nur eine Femtosekunde, also eine Billiardstel Sekunde, lang leuchtet. Das ursprüngliche Ziel der Arbeit, die kürzlich das Fachmagazin Optica veröffentlicht hat, lautete mithilfe der Lichtblitze Material der Partikel abzutragen oder zu verdampfen, um so das Innere der Fasern mit verschiedenen Materialien an definierten Stellen zu beschichten. Dazu hat Romodina einen 40 Femtosekunden kurzen infraroten Laserimpuls auf ein Quarzkügelchen gelenkt, das nur wenige Tausendstel Millimeter groß ist. Es wirkte wie eine winzige Linse, die die Pulsenergie auf seiner Rückseite fokussierte und dabei das Material ionisierte und verdampfte. Es bildete sich eine Plasma-Gasfahne, die das Teilchen abrupt rückwärts mit einem Tempo von annähernd Schallgeschwindigkeit beschleunigte. Reibungswiderstand ließ das Partikel einige Millimeter weiter stoppen. Dieser neuartige Effekt ist bisher noch nicht beschrieben worden.

Das Hohlfaser-System erlaubt es auf einzigartige Weise das Phänomen in einer sehr gut kontrollierten Mikro-Umgebung zu untersuchen. Die Autoren haben untersucht, wie der Durchmesser der Partikel deren Anfangsgeschwindigkeit und Stoßenergie beeinflusst. Sie beschreiben zudem, wie sich die Reibung als Funktion des Luftdrucks in den Kristallfasern mithilfe des Systems bestimmen lässt.

Die Forscher*innen können mit gegenläufigen Lichtblitzen die Bewegung der Partikel abbremsen, was es künftig ermöglichen sollte, das Innere der HC-PCF mit verschiedensten Materialien zu beschichten und das weit ab von den Öffnungen an den Enden der Fasern.  „Das würde den Einbau von Instrumenten wie Laser, Verstärker, bestimmte Spiegelarten und Wellenlängenfiltern ermöglichen“, erklärt Forscherin Romodina, „und die Fasern zu vielseitigen Instrumenten für Forschung und Technik machen“.

_{(1) Aufnahme mit einem Rasterelektronen-Mikroskop eines Quarzpartikels mit einem Durchmesser von 2,95 Mikrometern. Jeder der drei Krater wurde durch einen Laserblitz erzeugt, der einige Femtosekunden leuchtete.} 

_{(2) Schematische Darstellung eines Partikels, das in einer hohlen photonischen Kristallfaser durch einen Femtosekunden Laserblitz beschleunigt wird.}

Original Publication.

Backward jet propulsion of particles by femtosecond pulses in hollow-core photonic crystal fiber

Maria N. Romodina, Shangran Xie, Francesco Tani, and Philip St.J. Russell

https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-3-268&id=469842