Photonische Kristallfasern mit ungeordneter Mantelstruktur - ein neuer Weg zu verbesserter Lichtleitung in Defektkernen

• Antragsteller: Professor Dr. Markus A. Schmidt; Professor Dr. Thomas Weiss
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278650893

Eine spezielle Art von optischen Glasfasern sind Photonische Kristallfasern (PKFs), welche komplexe Mikrostrukturen aufweisen und in einer Vielzahl von Gebieten wie der Biophysik oder der nichtlinearen Optik eingesetzt werden. Eine Geometrie der PKFs beinhaltet Gitter aus longitudinalen Hochindexsträngen, welche sich über die gesamte Faserlänge erstrecken. Solch ein Gitter ergibt ein Medium mit photonischen Bandlücken (PBL). Durch das Auslassen eines oder mehrere Stränge (d.h. Dotieren des Gitters) kann das Licht innerhalb dieses Gitterdefekt lateral eingeschränkt und somit entlang der Faserachse geführt werden. Der PBL-Effekt erlaubt die Führung innerhalb begrenzter Spektralbereiche, der sog. Transmissionsfenster, wobei die Bandbreite der Fenster im Wesentlichen von den Eigenschaften der Hochindexstränge und/oder des Gitters abhängt. In einem anderen Typ von PKF wird mit Hilfe des PBL-Effekts Licht in einem zentralen Luftkern geführt, wobei sich beispielsweise interessante Applikationen in den Bereichen Partikelbeschleunigung und Generation von ultraviolettem Licht aufgezeigt wurden. Beide Fasergeometrien basieren auf periodischen Gitterstrukturen, was für bestimmte Applikationen nachteilige Eigenschaften ergibt (z.B. eine limitierte spektrale Transmissionsbandbreite).In dem vorgeschlagenen Projekt wollen wir den Einfluss verschiedener Arten von Unordnung auf die optischen Eigenschaften von PKFs untersuchen und auf Basis der Resultate neuartige ungeordnete Fasermantelstrukturen jenseits der gängigen PBL-PKF entwickeln. Das Hauptaugenmerk des Projekts ist es herauszufinden, ob eine Unordnung des Gitters im Mantelbereich der PKF zu verbesserten Lichtführungseigenschaften führen kann. Die Unordnung wird entweder über Variation der Materialien oder über Modifikationen der verschiedenen Formen und Durchmesser der Hochindexstränge erzielt. Die Fasern sollen in Hinsicht auf Phasen- und Gruppengeschwindigkeitsdispersion, Modendämpfung, Robustheit gegenüber Verbiegung, sowie Transmissionsbandenbreite untersucht werden. Die erste Referenzgeometrie sind Vollglasfasern mit ungeordneten Hochindexsträngen im Mantelbereich, welche es uns erlaubt, alle relevanten Fasermanteleigenschaften in Bezug auf Unordnung in kontrollierter Weise zu untersuchen. In einem nächsten Schritt wird die erwähnte Geometrie durch einen flüssigkeitsgefüllten Kern erweitert. Diese Geometrie beinhaltet somit einen Massivmantel aus Glas und einen flüssigen Zentralkern mit einem Brechungsindex kleiner als das Matrixglas der Faser. Das Projekt umfasst einerseits tiefgehende theoretische Untersuchungen und Geometriestudien (Gruppe Weiss), andererseits sollen diese Fasern auch experimentell realisiert und präzise charakterisiert werden (Gruppe Schmidt). Mit diesem Projekt wird somit insgesamt eine neue Klasse von mikrostrukturierten Fasern mit maßgeschneiderten Eigenschaften und Anwendungen in hochrelevanten Bereichen wie Biophysik und nichtlinearer Optik definiert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1839: Tailored Disorder - A science- and engineering-based approach to materials design for advanced photonic applications