Forschungsbericht 2010 - Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts

Photonische Kristallfasern

Autoren

Euser, Tijmen; Joly, Nicolas; Nazarkin, Alexander; Russell, Philip; Scharrer, Michael; Schmidt, Markus

Abteilungen

Photonik und neue Materialien (Prof. Dr. Philip Russell)
MPI für die Physik des Lichts, Erlangen

Zusammenfassung
Zusammenfassung Mikrostrukturierte photonische Kristallfasern (PCF) ermöglichen neue Arten der Lichtleitung, beispielsweise die Konzentration von Licht in einen kleinen Hohlkern. Neue Entwicklungen auf drei Forschungsgebieten werden vorgestellt: Laser-induzierte Bewegung von Teilchen in einer flüssigkeitsgefüllten Hohlkernfaser, Frequenzumwandlung von Licht in Wasserstoff und in PCF eingebettete Metall- oder Glasnanodrähte.

Einführung

Die effiziente Bündelung von Licht im Raum ermöglicht die Kontrolle seiner Ausbreitung in Raum und Zeit und damit die gezielte Manipulation seiner Wechselwirkung mit Materie. Ein Beispiel hierfür ist die photonische Kristallfaser (PCF) – eine neuartige Glasfaser, in die ein Gitter aus winzigen, parallellen Luftkanälen entlang der Faser eingebettet ist [1]. Die regelmäßige Anordnung dieser Kanäle führt dazu, dass Licht im Kern der Faser gefangen wird. Der Kern dieser Faser kann dabei sowohl hohl als auch aus Glas sein (Abb. 1).

Photonische Kristallfasern, die am MPL hergestellt wurden, aufgenommen mit dem Rasterelektronen- bzw. optischen Mikroskop. Die Herstellung erfolgt durch regelmäßige Anordnung von Rohren und Stäben aus Quarzglas mit ca. 1 mm Durchmesser. Dann wird in zwei Schritten zuerst eine Vorform (≈ 1 mm Durchmesser) und dann die eigentliche Faser gezogen. (a) Hohlkern-PCF (Kerndurchmesser 10 µm); (b) „Mercedes“-Faser (Kerndurchmesser 2 µm); (c) Nanostegfaser (Stegbreite 500 nm); (d) Hohlkern-PCF mit Kagome-Gitter (Kerndurchmesser 28 µm); (e) doppelbrechende PCF mit Glaskern (3 µm Kerndurchmesser); (f) stark nichtlineare PCF aus Bleiglas mit Glaskern (Kerndurchmesser 1,5 µm). Bild vergrößern
Photonische Kristallfasern, die am MPL hergestellt wurden, aufgenommen mit dem Rasterelektronen- bzw. optischen Mikroskop. Die Herstellung erfolgt durch regelmäßige Anordnung von Rohren und Stäben aus Quarzglas mit ca. 1 mm Durchmesser. Dann wird in zwei Schritten zuerst eine Vorform (≈ 1 mm Durchmesser) und dann die eigentliche Faser gezogen. (a) Hohlkern-PCF (Kerndurchmesser 10 µm); (b) „Mercedes“-Faser (Kerndurchmesser 2 µm); (c) Nanostegfaser (Stegbreite 500 nm); (d) Hohlkern-PCF mit Kagome-Gitter (Kerndurchmesser 28 µm); (e) doppelbrechende PCF mit Glaskern (3 µm Kerndurchmesser); (f) stark nichtlineare PCF aus Bleiglas mit Glaskern (Kerndurchmesser 1,5 µm). [weniger]

Hohlkernfasern sind besonders interessant, da sie eines der ältesten Probleme der Optik lösen, nämlich die Vergrößerung der Schärfentiefe einer Linse, ohne gleichzeitig den Brennfleck zu vergrößern. Dies gelingt nur, wenn die Divergenz des Strahls, d. h. seine durch Beugung hervorgerufene laterale Aufweitung, überwunden wird. Dies ist weder im freien Raum noch in einer einfachen Glaskapillare möglich, denn bei optischen Frequenzen gibt es kein Material mit einem Brechungsindex kleiner 1. Obwohl eine Metallbeschichtung der Innenseite der Kapillare wie ein Spiegel wirken und somit die Lichtleitung unterstützen würde, weist dieses System extrem hohe Absorptionsverluste auf. Eine andere Möglichkeit sind Spiegel aus mehreren Schichten, die auf der Innenseite der Kapillare aufgebracht werden. Die für eine verlustarme Ausbreitung nötigen hohen Reflektivitäten sind jedoch mit den derzeitigen Herstellungsmethoden nicht erreichbar. Die eingangs erwähnte Hohlkernfaser, die die Lichtleitung durch eine photonische Bandlücke erzeugt, ist die erste technisch umsetzbare Lösung für dieses Problem. In den besten Fällen können Verluste von 1 dB/km bei einer Wellenlänge von 1550 nm erzielt werden, d. h. nach 3 km Ausbreitung ist die Intensität des Lichts auf die Hälfte abgesunken. Damit sind 10 Millionen Reflektionen erforderlich, bevor die Intensität des Lichts auf die Hälfte reduziert ist. Berücksichtigt man, dass jede Reflektion an einer anderen Stelle des Spiegels stattfindet, so wird klar, dass der „Bandlückenspiegel“ fast perfekt ist.

Mit dieser bemerkenswerten Entdeckung kann ein Lichtstrahl, der sich zu fast 100% im Bereich des niedrigeren Brechungsindex, sei es ein Gas oder eine Flüssigkeit, befindet, unter Beibehaltung des transversalen Intensitätsprofils der Grundmode kilometerweit übertragen werden. Dies revolutioniert eine Vielzahl von Experimenten zur Wechselwirkung von Lasern mit Gasen oder Flüssigkeiten.

Optisch geführte Partikelbewegungen

Die Synthese, Manipulation und Messung von Objekten im Mikrometerbereich ist für viele Forschungsgebiete von großer Bedeutung, beispielsweise in der Katalyse, Zellbiologie und Kolloidchemie. Optische Strahlungskräfte werden standardmäßig verwendet, um Mikro- und Nanoobjekte zu manipulieren. Wird ein dielektrisches Partikel in der Nähe eines fokussierten Laserstrahls platziert, kommt es durch Brechung des Lichts am Partikel zu einem Impulsübertrag, der es vorwärts und zum Intensitätsmaximum hin bewegt. Bei sehr starker Fokussierung des Laserstrahls muss eine weitere rückwärtsgerichtete Kraftkomponente berücksichtigt werden. Wenn Vorwärts- und Rückwartskomponente identisch sind, kann das Teilchen auf einer stabilen Ruheposition gehalten werden – eine Methode, die als optische Pinzette bekannt ist und die meist zur in vitro Manipulation von Zellen genutzt wird.

Beladen und Führen eines Teilchens in einer flüssigkeitsgefüllten Hohlkern-PCF. Die Faser wurde als monomodige Faser bei der gewünschten Wellenlänge (1064 nm) und bei Füllung aller Hohlräume (Kern und Hülle) mit D<sub>2</sub>O konzipiert. Da der Brechungsindex von D<sub>2</sub>O kleiner ist als der von Quarzglas, erfolgt der Lichteinschluss nur mithilfe der photonischen Bandlücke. (a)–(c) Das Teilchen wird mit der optischen Pinzette eingefangen und durch die Flüssigkeit zum Faserende geführt. (d) Das Teilchen wird durch ein Kräftegleichgewicht von Strahlungs- und Strömungsdruck genau am Faserende gehalten. (e)–(h) Sobald das Teilchen stabil im Faserzentrum gefangen ist, kann es durch Änderung der Laserintensität und der Gegenströmung vor und zurück bewegt werden. Bild vergrößern
Beladen und Führen eines Teilchens in einer flüssigkeitsgefüllten Hohlkern-PCF. Die Faser wurde als monomodige Faser bei der gewünschten Wellenlänge (1064 nm) und bei Füllung aller Hohlräume (Kern und Hülle) mit D2O konzipiert. Da der Brechungsindex von D2O kleiner ist als der von Quarzglas, erfolgt der Lichteinschluss nur mithilfe der photonischen Bandlücke. (a)–(c) Das Teilchen wird mit der optischen Pinzette eingefangen und durch die Flüssigkeit zum Faserende geführt. (d) Das Teilchen wird durch ein Kräftegleichgewicht von Strahlungs- und Strömungsdruck genau am Faserende gehalten. (e)–(h) Sobald das Teilchen stabil im Faserzentrum gefangen ist, kann es durch Änderung der Laserintensität und der Gegenströmung vor und zurück bewegt werden. [weniger]

Auch im Hohlkern einer lichtführenden PCF wird das Teilchen eingefangen und vorwärts beschleunigt, aber es gibt einen entscheidenden Unterschied: es entsteht keine rückwärtsgewandte Kraft und daher keine Ruhelage [2]. Das Teilchen wird vielmehr entlang der Faser gleichmäßig beschleunigt. In einer neueren Arbeit wurde gezeigt, dass ein mikrometergroßes Teilchen in einer flüssigkeitsgefüllten monomodigen Hohlkernfaser transversal gefangen und mithilfe eines Laserstrahls gegen die Flüssigkeitsströmung auf einer stabilen Position gehalten werden kann. Durch Regelung der Laserintensität (Abb. 2) kann das Teilchen über Strecken von mehreren 10 cm vor und zurück bewegt werden [3,4]. Dies ermöglicht genaue Studien des Strömungswiderstands in flüssigkeitsgefüllten Mikrokanälen.

Neben der Erforschung von viskosen Kräften kann das System auch genutzt werden, um flexible opto-fluide Verbindungen zu schaffen, mit denen Teilchen oder Zellen von einem mikrofluiden System in ein anderes transportiert werden können. Würden der strömenden Flüssigkeit nacheinander verschiedene Stoffe zugesetzt, könnten in einer sehr kontrollierten Art und Weise verschiedene Schichten auf das Teilchen aufgebracht werden. Gleichzeitig könnte die Reaktion spektroskopisch beobachtet werden. In der biomedizinischen Forschung könnte die Wirkung äußerst geringer Mengen eines Medikaments auf eine Zelle untersucht werden, die mithilfe der Optik stabil in der strömenden Flüssigkeit gehalten wird. Selbst eine Photoaktivierung des Medikaments durch einen transversalen Laserstrahl durch die Faserhülle ist denkbar.

Licht und Gas auf engstem Raum

Die nichtlineare Wechselwirkung zwischen Licht und Materie erhöht sich mit der Intensität des Lichts und ist die Ursache vieler eindrucksvoller Phänomene wie der Erzeugung neuer Wellenlängen bzw. Farben. Gasgefüllte Hohlkern-PCF sind das ideale System für das Studium der nichtlinearen Wechselwirkung von Gasen mit Licht. Die geringe optische Abschwächung ermöglicht nahezu unbegrenzte optische Weglängen. Falls nur eine einzige optische Mode geführt wird, besteht ein konstanter Überlapp des elektromagnetischen Feldes mit dem Gas. Damit können bisher unmögliche Experimente in Angriff genommen werden, zum Beispiel die in Rückwärtsrichtung abgestrahlte stimulierte Ramanstreuung in Wasserstoff.

(a) Schwingende Moleküle mit zufällig verteilter Phasenbeziehung. (b) Schwingende Moleküle mit fester Phasenbeziehung, eingestellt auf die Schwebungsfrequenz zwischen Pumpwelle und gegenläufiger Stokes-Welle. Die Interferenzstreifen bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die kohärente Welle entlang der Moleküle. (c) Rückwärts gestreutes Stokes-Signal nach Verstärkung eines schwachen Ausgangssignals mithilfe des sich in Vorwärtsrichtung ausbreitenden Pumpstrahls (Pulsenergien von 4 bis 20 µJ, Pulsanstieg bei 0 ns). Zu Beachten ist die starke Komprimierung der Pulse von ≈10 ns auf 600 ps. Bild vergrößern
(a) Schwingende Moleküle mit zufällig verteilter Phasenbeziehung. (b) Schwingende Moleküle mit fester Phasenbeziehung, eingestellt auf die Schwebungsfrequenz zwischen Pumpwelle und gegenläufiger Stokes-Welle. Die Interferenzstreifen bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die kohärente Welle entlang der Moleküle. (c) Rückwärts gestreutes Stokes-Signal nach Verstärkung eines schwachen Ausgangssignals mithilfe des sich in Vorwärtsrichtung ausbreitenden Pumpstrahls (Pulsenergien von 4 bis 20 µJ, Pulsanstieg bei 0 ns). Zu Beachten ist die starke Komprimierung der Pulse von ≈10 ns auf 600 ps. [weniger]

Die Moleküle in einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper sind bei normaler Umgebungstemperatur in ständiger Bewegung (Abb. 3a). Unter Einwirkung eines Laserpumpstrahls verhalten sie sich wie kleine optische Phasenmodulatoren und erzeugen durch Frequenzmodulation optische Seitenbänder. Dieser Prozess ist als Ramanstreuung bekannt. Obwohl die schwingenden Moleküle räumlich stationär sind, kann der Eindruck von Bewegung entstehen, wenn zwischen den Schwingungen benachbarter Moleküle eine konstante Phasenbeziehung besteht. In diesem Fall bildet sich eine Welle, deren Maxima sich in eine Richtung bewegen und deren Wellenlänge der halben Pumpwellenlänge entspricht (Abb. 3b). Die erzeugte (Molekül-)Welle stellt ein sich bewegendes Bragg-Gitter dar, an dem das Pumplicht mit einer Dopplerverschiebung rückwärts gestreut wird. Oberhalb eines Schwellenwertes erfolgt die Streuung in das niederfrequente „Stokes“-Seitenband besonders stark. Dieser Effekt ist als stimulierte Ramanstreuung (SRS) bekannt und wird häufig genutzt, um neue Wellenlängen zu erzeugen.

In neueren Arbeiten wurden kurzlebige Effekte bei sich rückwärts ausbreitender SRS bei großen Wechselwirkungslängen untersucht [5]. Vor der Verfügbarkeit von Hohlkern-PCF waren genaue experimentelle Untersuchungen dieses Effekts äußerst schwierig, wenn nicht unmöglich. Bei einem fokussierten Laserstrahl ist die maximale Wechselwirkungslänge durch die Beugung des Strahls begrenzt, sodass eine Beobachtung von SRS auf kurzen Zeitskalen eine Laserintensität von mehreren Gigawatt erfordern würde. Dies würde jedoch unerwünschte, weil konkurrierende, Effekte wie Selbstfokussierung, Selbstphasenmodulation oder die Erzeugung weiterer Ramankomponenten begünstigen. In Hohlkernfasern können solch konkurrierende Effekte vermieden werden. Darüber hinaus kann die Faser so konzipiert werden, dass Ramanseitenbänder höherer Ordnung unterdrückt werden [6]. Im Experiment werden in eine wasserstoffgefüllte PCF von einer Seite ein Pumpstrahl und von der anderen Seite ein schwacher Stokes-Strahl eingekoppelt (Abb. 3c). Während des Durchgangs durch den gegenläufigen Pumpstrahl wird der Stokes-Puls kontinuierlich verstärkt und erreicht ein Intensitätsmaximum, das weit größer ist als das des Pumpstrahls. Gleichzeitig werden die Pulsflanken wesentlich steiler und die Pulslänge verkürzt sich auf Zeiten kleiner als die Phasenrelaxationszeit der molekularen Welle.

Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Fortschritt bei der Erforschung kohärenter nichtlinearer Effekte dar und bereiten den Weg für eine neue Generation optischer Gaszellen mit vielen Freiheitsgraden, anhand derer komplexe nichtlineare Effekte in Bereichen starker Wechselwirkung untersucht werden können.

Metall-, Halbleiter- und Glas-Nanodrähte

Das Verhalten von Licht im Nanobereich ist derzeit von großem Interesse. Insbesondere die Konzentration von Licht auf noch kleinere räumliche Bereiche und damit die Überwindung der herkömmlichen Beugungsbegrenzung steht im Fokus. Ein vielversprechender Ansatz nutzt nanometergroße metallische Objekte, die durch kollektive Bewegungen des Elektronengases stark mit Licht wechselwirken. Diese Wechselwirkung führt zu so genannten Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPP), die sich an der Grenzfläche von Metallen und Dielektrika ausbilden. Die Lokalisierung dieser Wellen an der Grenzfläche kann zu einer Intensitätserhöhung führen. Mit einer neu entwickelten Technik können mehrere Zentimeter lange Nanodrähte aus Gold und Silber in PCF Strukturen hergestellt werden [7]. Eine PCF aus Quarzglas wird als Rohform benutzt und geschmolzenes Material unter hohem Druck in die Hohlkanäle gedrückt. Neben der Herstellung verschiedener hybrider Strukturen kann so auch die Funktionalität von PCF verändert werden. Die kleinsten bisher realisierten Nanodrähte haben einen Durchmesser von nur 150 nm.

(a) Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer doppelbrechenden PCF mit einem einzelnen 600 nm großen Golddraht, der aus der Stirnfläche herausragt. (b) Optische Nahfeldaufnahme der Faserstirnfläche bei einer Anregung mit 543 nm (links) bzw. 633 nm (rechts). (c) Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Faser aus (d). Die Stirnfläche wurde mit einem fokussierten Ionenstrahl poliert. (d) Optische Nahfeldaufnahme einer mit Weißlicht beleuchteten PCF, bei der alle Löcher (Durchmesser 1,6 µm) mit Gold gefüllt sind – im Kern wird grünes Licht geleitet. Bild vergrößern
(a) Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer doppelbrechenden PCF mit einem einzelnen 600 nm großen Golddraht, der aus der Stirnfläche herausragt. (b) Optische Nahfeldaufnahme der Faserstirnfläche bei einer Anregung mit 543 nm (links) bzw. 633 nm (rechts). (c) Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Faser aus (d). Die Stirnfläche wurde mit einem fokussierten Ionenstrahl poliert. (d) Optische Nahfeldaufnahme einer mit Weißlicht beleuchteten PCF, bei der alle Löcher (Durchmesser 1,6 µm) mit Gold gefüllt sind – im Kern wird grünes Licht geleitet. [weniger]

Damit konnten resonante SPP auf Gold- und Silberdrähten beobachtet werden. Diese werden durch spiralförmige planare SPP gebildet, die an der Oberfläche der Drähte lokalisiert sind. Für sehr dünne Drähte können diese ausschließlich unter definierten, diskreten Helixwinkeln gebildet werden, sodass nur eine geringe Anzahl dieser Moden existiert. Bei bestimmten, phasenangepassten Wellenlängen können die im Glas geführte optische Welle und die SPP-Oberflächenwelle des angrenzenden einzelnen Nanodrahts koppeln (Abb. 4a und 4b) [8]. In zweidimensionalen Gittern aus Nanodrähten (Abb. 4c) konnte beobachtet werden, wie bei bestimmten Wellenlängen Licht vom Kern in die angrenzenden Nanodrähte übergeht. Zwischen diesen Wellenlängen existieren keine resonanten SPP und das Licht bleibt im Glaskern eingeschlossen (grünes Licht in Abb. 4d). PCF sind ideal, um einzelne SPP selektiv anzuregen, gleichzeitig zeichnen sie sich durch große Wechselwirkungslängen zwischen optischem Feld und Metall aus.

Die Technologie wurde auch erfolgreich angewandt, um Nanodrähte aus Tellurit- oder Chalkogenidglas mit hohem Brechungsindex herzustellen [9,10]. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der beiden Gläser unterschiedlich sein kann, so dass komplizierte Geometrien realisiert werden können. Außerdem ist es möglich, schwer handhabbare Gläser als Füllstoff zu verwenden, die beispielsweise mit Sauerstoff reagieren oder für das Faserziehen ungeeignet sind. Glasgefüllte Quarzglas-PCF können mit monomodigen Standardfasern gespleißt werden, sodass integrierte Faserbauelemente mit Anwendungen als Wellenlängenfilter oder für die nichtlineare Optik realisiert werden können.

Originalveröffentlichungen

1.
P. St.J. Russell:
Photonic-crystal fibers.
2.
F. Benabid, J. C. Knight, P. St.J. Russell:
Particle levitation and guidance in hollow-core photonic crystal fiber.
3.
M. K. Garbos, T. G. Euser, J. S. Y. Chen, P. St.J. Russell:
Controlled particle guidance in a liquid-filled single-mode hollow-core photonic crystal fiber.
4.
T. G. Euser, M. K. Garbos, J. S. Y. Chen, P. St.J. Russell:
Precise balancing of viscous and radiation forces on a particle in liquid-filled photonic bandgap fiber.
5.
A. Abdolvand, A. Nazarkin, A. V. Chugreev, C. F. Kaminski, P. St.J. Russell:
Solitary pulse generation by backward Raman scattering in hydrogen-filled photonic crystal fibers.
6.
F. Benabid, G. Bouwmans, J. C. Knight, P. St.J. Russell, F. Couny:
Ultrahigh efficiency laser wavelength conversion in a gas-filled hollow core photonic crystal fiber by pure stimulated rotational Raman scattering in molecular hydrogen.
7.
M. A. Schmidt, L. N. P. Sempere, H. K. Tyagi, C. G. Poulton, P. St.J. Russell:
Waveguiding and plasmon resonances in two-dimensional photonic lattices of gold and silver nanowires.
8.
H. W. Lee, M. A. Schmidt, H. K. Tyagi, L. N. Prill Sempere, P. St.J. Russell:
Polarization-dependent coupling to plasmon modes on submicron gold wire in photonic crystal fiber.
9.
M. A. Schmidt, N. Granzow, N. Da, M. Peng, L. Wondraczek, P. St.J. Russell:
All-solid bandgap guiding in tellurite-filled silica photonic crystal fibers.
10.
M. A. Schmidt, N. Granzow, L. Wondraczek, P. St.J. Russell:
Optical properties of chalcogenide-filled silica-air PCF.
 
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