Untersuchung der Solitonen-basierten Superkontinuumsgeneration in Flüssigkernfasern im mittleren Infrarotbereich

• Antragsteller: Professor Dr. Markus A. Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 404883725

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Generation von Licht bei infraroten Wellenlängen stellt ein wichtiges Forschungsgebiet sowohl von der Grundlagen- als auch von der Anwendungsseite her dar. Beispielsweise können mittels Fingerabdruckspektroskopie kleinste Mengen von Substanzen nachgewiesen und quantifiziert werden. Entscheidend dabei ist die Bereitstellung einer effizienten Lichtquelle, welche maßgeschneidertes Licht mit einer hohen spektralen Dichte bei maximaler Strahlqualität liefern sollte. Ein Ansatz zur Realisierung einer solchen Quelle sind nichtlineare Wechselwirkungen in optischen Fasern, wobei der Zerfall eines zeitlichen Soliton höherer Ordnung, welches überschüssige Energie in Form von dispersiven Wellen abstrahlt, oft eingesetzt wird. Dieser Prozess kann gezielt durch die Manipulation der Wellenleiterdispersion eingestellt werden. In diesem Projekt wurden Fasern mit flüssigen Kernen – sogenannte Flüssigkernfasern – in Hinblick auf die maßgeschneiderte und abstimmbare Erzeugung von infrarotem Licht mittels solitonenbasierter Superkontinuumserzeugung untersucht. Diese Art von Faserwellenleiter bietet einzigartige Fähigkeiten, wie z. B. eine nichtinstantane Antwort im Pikosekundenbereich. Vor Beginn des Projekts wurde berichtet, dass anorganische Flüssigkeiten prinzipiell breite Transmissionsfenster für Wellenlängen >2µm und einzigartige Möglichkeiten zur Dispersionsabstimmung aufweisen, die speziell auf den flüssigen Kern zurückzuführen sind. Ziel des Projekts war es daher, das Wissen über Flüssigkernfasern durch experimentelle und simulative Studien zu erweitern. Von der materialwissenschaftlichen Seite wurden durch Absorptionsspektroskopie die Verluste in den IR Transmissionsfenstern quantifiziert. Als photonische Wellenleiter-Plattformen dienten einerseits Stufenindexprofile mit Silica- oder Fluoridglas als Mantelmaterial oder Fasern mit mikrostrukturierten Mänteln, welche teilweise mit einem implementierten Aufbau hinsichtlich der Dispersion charakterisiert wurden. In Bezug auf nichtlineare Frequenzkonversion konnte erfolgreich nachgewiesen werden, dass Flüssigkernwellenleiter infrarotes Licht maßgeschneidert bereitstellen können. Neben Experimenten zu spektraler Bandbreite und Wellenlänge konnte zusätzlich gezeigt werden, dass neben geometrische Einflüssen die Modendispersion und somit die Ausgangsspektren durch den Einsatz binärer Flüssigkeitsmischungen, axiale Kerndurchmesservariation und Temperaturänderung abgestimmt werden können. Insgesamt wurden nichtlineare Frequenzumwandlungsprozesse bei Infrarot-Wellenlängen in Flüssigkernfasern erfolgreich untersucht und die Wissensbasis auch in Hinblick auf potenzielle Anwendungen substanziell erweitert (das Projekt war relevant für 16 Publikationen). Künftige Studien werden sich mit anwendungsbezogenen Fragen befassen, z. B. im Bereich der Quantentechnologien oder Lebenswissenschaften, während weitere nichtlineare Effekte in Zukunft ebenfalls in Betracht gezogen werden können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Impact of deuteration on the ultrafast nonlinear optical response of toluene and nitrobenzene. Optics Express, 27(21), 29491.
  Karras, Christian; Chemnitz, Mario; Heintzmann, Rainer & Schmidt, Markus A.
  
• Long-term stable supercontinuum generation and watt-level transmission in liquid-core optical fibers. Optics Letters, 44(9), 2236.
  Schaarschmidt, Kay; Xuan, Hongwen; Kobelke, Jens; Chemnitz, Mario; Hartl, Ingmar & Schmidt, Markus A.
  
• Tailoring modulation instabilities and four-wave mixing in dispersion-managed composite liquid-core fibers. Optics Express, 28(3), 3097.
  Junaid, Saher; Schaarschmidt, Kay; Chemnitz, Mario; Chambonneau, Maxime; Nolte, Stefan & Schmidt, Markus A.
  
• Ultrafast intermodal third harmonic generation in a liquid core step-index fiber filled with C2Cl4. Optics Express, 28(17), 25037.
  Schaarschmidt, Kay; Kobelke, Jens; Nolte, Stefan; Meyer, Tobias & Schmidt, Markus A.
  
• Supercontinuum generation in a carbon disulfide core microstructured optical fiber. Optics Express, 29(13), 19891.
  Junaid, Saher; Bierlich, Joerg; Hartung, Alexander; Meyer, Tobias; Chemnitz, Mario & Schmidt, Markus A.
  
• Attenuation coefficients of selected organic and inorganic solvents in the mid-infrared spectral domain. Optical Materials Express, 12(4), 1754.
  Junaid, Saher; Huang, Wenqin; Scheibinger, Ramona; Schaarschmidt, Kay; Schneidewind, Henrik; Paradis, Pascal; Bernier, Martin; Vallée, Réal; Stanca, Sarmiza-Elena; Zieger, Gabriel & Schmidt, Markus A.
  
• Axial dispersion-managed liquid-core fibers: A platform for tailored higher-order mode supercontinuum generation. APL Photonics, 7(11).
  Qi, Xue; Scheibinger, Ramona; Nold, Johannes; Junaid, Saher; Chemnitz, Mario & Schmidt, Markus A.
  
• Spectral tailoring of photon pairs from microstructured suspended-core optical fibers with liquid-filled nanochannels. Optics Express, 30(16), 29680.
  Afsharnia, Mina; Lyu, Zhouping; Pertsch, Thomas; Schmidt, Markus A.; Saravi, Sina & Setzpfandt, Frank
  
• Tailored Multi‐Color Dispersive Wave Formation in Quasi‐Phase‐Matched Exposed Core Fibers. Advanced Science, 9(8).
  Lühder, Tilman A. K.; Chemnitz, Mario; Schneidewind, Henrik; Schartner, Erik P.; Ebendorff‐Heidepriem, Heike & Schmidt, Markus A.
  
• Temperature‐Sensitive Dual Dispersive Wave Generation of Higher‐Order Modes in Liquid‐Core Fibers. Laser & Photonics Reviews, 17(1).
  Scheibinger, Ramona; Hofmann, Johannes; Schaarschmidt, Kay; Chemnitz, Mario & Schmidt, Markus A.