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«Die Idee geht mir schon seit etwa 15 Jahren im Kopf umher, aber ich hatte weder die Zeit noch die Mittel, sie zu realisieren.» Doch nun hat Luc Thévenaz, Leiter der Gruppe Fiberoptik an der School of Engineering der EPFL, es endlich geschafft: Sein Labor hat eine Technologie entwickelt, um das Licht in den neusten Hohlkern-Lichtleitfasern zu verstärken.
Die Quadratur des Kreises
Heutige optische Fasern haben in der Regel einen festen Glaskern, so dass keine Luft im Inneren ist. Das Licht kann sich entlang der Fasern bewegen, verliert aber nach 15 Kilometern die Hälfte seiner Intensität. Es schwächt sich immer weiter ab, bis es bei 300 Kilometern kaum noch nachweisbar ist. Um das Licht in Bewegung zu halten, muss es also in regelmässigen Abständen verstärkt werden.
Eine optische Hohlkernfaser © Malak Galal, Fan Yang, Flavien Gyger, Luc Thévenaz/2020 EPFL
Der Ansatz von Thévenaz basiert auf neuen optischen Hohlkern-Fasern, die entweder mit Luft oder Gas gefüllt sind. «Die Luft bedeutet eine geringere Dämpfung, so dass sich das Licht über eine längere Strecke ausbreiten kann. Das ist ein echter Vorteil», so der Professor. Aber in einer dünnen Substanz wie Luft ist das Licht schwieriger zu verstärken. «Das ist der Kern des Problems: Licht reist schneller, wenn es weniger Widerstand hat, aber gleichzeitig ist es schwieriger, darauf einzuwirken. Glücklicherweise haben wir mit unserer Entdeckung die Quadratur dieses Kreises geschafft.»
Vom Infrarot zum Ultraviolett
Was haben die Forscher also getan? «Wir haben einfach Druck auf die Luft in der Faser ausgeübt, um einen kontrollierten Widerstand zu erzeugen», erklärt Fan Yang, Postdoktorand. «Es funktioniert ähnlich wie eine optische Pinzette - die Luftmoleküle werden komprimiert und bilden in regelmässigen Abständen Cluster. Dadurch entsteht eine Schallwelle, deren Amplitude zunimmt und die das Licht von einer starken Quelle effektiv in Richtung des abgeschwächten Strahls beugt, so dass es bis zu 100 000 Mal verstärkt wird.» Ihre Technologie macht das Licht also wesentlich leistungsstärker. «Unsere Entdeckung kann auf jede Art von Licht angewendet werden, von Infrarot bis Ultraviolett, und auf jedes Gas», erklärt er. Die Ergebnisse sind soeben in Nature Photonics veröffentlicht worden.
Die Wissenschaftler Luc Thévenaz, Flavien Gyger und Fan Yang © Alain Herzog/2020 EPFL
Ein extrem genaues Thermometer
Künftig könnte die Technologie neben der Lichtverstärkung auch anderen Zwecken dienen. Hohlkern- oder Druckgas-Lichtleitfasern könnten z.B. zur Herstellung extrem genauer Thermometer verwendet werden. «Wir werden in der Lage sein, die Temperaturverteilung an jedem Punkt entlang der Faser zu messen. Wenn also ein Brand entlang eines Tunnels ausbricht, wissen wir aufgrund der erhöhten Temperatur an einem bestimmten Punkt genau, wo er begonnen hat», sagt Doktorand Flavien Gyger. Die Technologie könnte auch zur Schaffung eines temporären optischen Speichers verwendet werden, indem das Licht in der Faser für eine Mikrosekunde angehalten wird – das ist zehnmal länger als derzeit möglich.