Drei Jahrzehnte photonische Kristallfasern: Neue Wege, um Licht zu kontrollieren

Philip Russell

Fasern aus einem speziellen Glas, die mit spezifisch angeordneten und mikroskopisch kleinen Hohlkanälen versehen sind, helfen, die manchmal seltsamen Eigenschaften des Lichts besser zu verstehen. Und sie haben zu einem breiten Spektrum von praktischen Anwendungen geführt - von der Kommunikation über die Medizin bis hin zur Umweltüberwachung. In einem Vortrag am 17. Mai zeigt Philip Russell anlässlich des Internationalen Tages des Lichts, wie er vor 30 Jahren die photonischen Kristallfasern erfand und wie sie die Möglichkeiten verändert haben, Licht zu nutzen.

Baltimore, Montag, der 14. Mai 1991: Philip Russell nahm gerade an der Konferenz über Laser und Elektro-Optik (CLEO) teil, als ihm eine Idee kam. Was würde passieren, wenn er Licht in ein Muster winziger Kanäle innerhalb einer Glasfaser einpferchen, und es so mithilfe des gerade postulierten photonischen Bandlücken-Effekts einfangen könnte? Er skizzierte seine Gedanken in sein Notizbuch – es war die Geburtsstunde der photonischen Kristallfaser.

Russells Team (damals noch an der britischen Universität Southampton) benötigte vier Jahre, um diese neuartigen Faserstrukturen herzustellen und zu zeigen, dass sie auch tatsächlich Licht leiteten. Seitdem entdecken er und seine Kolleg*innen gemeinsam mit vielen Forscher*innen aus der ganzen Welt immer neue Wege, mithilfe der erstaunlichen Eigenschaften der Kristallfasern Licht zu kontrollieren. Heute gibt es kaum ein optisches Labor, das nicht photonische Kristallfasern in der einen oder anderen Form nutzt. Oft geht es dabei um Anwendungen im Alltag, etwa in der Medizin, der Umweltüberwachung, in fortschrittlichen Laserquellen oder der optischen Kommunikation.

“Anfangs war es überhaupt nicht klar, ob eine derartig komplizierte Mikrostruktur jemals hergestellt werden könnte, da zuvor nichts Vergleichbares versucht worden war“, erinnert sich Russell, Gründungsdirektor des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts. Doch nach mehreren Jahren, in denen das Team verschiedene Ansätze ausprobierte, verließ Ende 1995 die erste lichtleitende photonische Kristallfaser (PCF) den Faserziehturm. Damit wurde ein neues Zeitalter in der Faseroptik eingeleitet.

Durch die verbesserte Kontrolle der Ausbreitung von geführtem Licht hat die PCF zu einer ganzen Reihe von wissenschaftlichen und technischen Durchbrüchen in der Physik des Lichts geführt. Versionen mit festem Kern werden verwendet, um unsichtbare Infrarot-Laserpulse in weißes Licht umzuwandeln, das um ein Millionenfaches heller ist als die Sonne - revolutionäre neue Lichtquellen mit einer Vielzahl von Anwendungen. Mit Gas gefüllte Hohlkern-PCFs werden verwendet, um Infrarot-Laserpulse auf Längen zu komprimieren, die millionen- bis milliardenfach kürzer als eine Sekunde sind. Sie bilden die Grundlage für eine Reihe einzigartiger und extrem heller Quellen für durchstimmbares Tief- und Vakuum-Ultraviolettlicht. Wenn eine PCF chiral verdreht wird, verhält sie sich wie ein Schaufelrad und erzeugt optische Wirbel mit faszinierenden Eigenschaften. In PCFs mit hohlem Kern können kleine Partikel optisch eingefangen, über weite Strecken angetrieben und als bewegliche Punktsensoren verwendet werden.

Diese Entwicklungen verhalfen auch anderen Wissenschaftler*innen zu bemerkenswerten Durchbrüchen: John Hall, Physiker an der University of Colorado, und Theodor Hänsch, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, nutzten die in der PCF erzeugten oktavumspannenden Frequenzkämme, um die genauesten optischen Uhren der Welt zu konstruieren. Hall und Hänsch erhielten zusammen mit dem verstorbenen Roy J. Glauber 2005 den Nobelpreis für ihre Arbeit.

Im Jahr 2000 entdeckte ein Team australischer Wissenschaftler*innen, dass die schillernden Stacheln der Seemaus, einem Meereswurm der Gattung Aphrodita, ähnlich aufgebaut sind wie PCFs. Sie ändern ihre Farbe von Rot über Grün zu Blau, wenn das Sonnenlicht aus verschiedenen Winkeln auf sie scheint. Im Jahr 2001 veröffentlichte eine Lokalzeitung in Bath, Großbritannien, einen Artikel mit der Überschrift „Hightech-Meeresmaus schlägt Prof“ und schrieb: „Es dauerte 10 Jahre, bis ein Wissenschaftler aus Bath verstanden hat, was eine Spezies von Meereswürmern seit Millionen von Jahren weiß.“ Russells Kommentar dazu damals: Na ja, vielleicht!

 

Philip Russell hält seinen Vortrag am 17. Mai um 15 Uhr.

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Wir verschicken den Zoom-Link für den Vortrag etwa eine Stunde vor Beginn.

(Der Vortrag wird aufgezeichnet. Durch die weitere Teilnahme an der Vorlesung erklären sich die Teilnehmer*innen damit einverstanden, dass sie aufgezeichnet werden.)

 

Philip Russell ist Emeritus-Direktor am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen, das er gemeinsam mit Gerd Leuchs im Januar 2009 gründete. Von 2005 bis 2021 war er Krupp-Professor für Experimentalphysik an der Universität Erlangen-Nürnberg. Er promovierte 1979 an der Universität Oxford, war drei Jahre lang Research Fellow am Oriel College und arbeitete anschließend an Universitäten und Forschungseinrichtungen in Deutschland, den USA, Großbritannien und Frankreich. Seine Forschungsinteressen konzentrieren sich hauptsächlich auf die Physik und die Anwendung periodisch mikrostrukturierter Materialien, insbesondere photonischer Kristallfasern. Er ist Fellow der Royal Society und der Optical Society (OSA) und erhielt mehrere Auszeichnungen, darunter 2000 den Joseph Fraunhofer Award/Robert M. Burley Prize der OSA, 2005 den Thomas Young Prize des Institute of Physics, 2005 den Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft, 2013 den EPS Prize for Research into the Science of Light, 2014 den Berthold Leibinger Zukunftspreis, 2015 den IEEE Photonics Award und 2018 den Rank Prize for Optoelectronics. Im Jahr 2016 erhielt er die Ehrendoktorwürde der Universidad Internacional Menéndez Pelayo in Santander, Spanien. Im Internationalen Jahr des Lichts 2015 war er Präsident der OSA.

 

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