OrbitFlySens - Optische Manipulation von Mikropartikeln im Hohlkern einer photonischer Kristallfaser durch Orbital-Angular-Momentum Moden für innovative Anwendungen in der Fasersensorik

• Antragsteller: Professor Dr. Nicolas Y. Joly; Professor Dr. Bernhard Schmauss
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Messsysteme ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418737652

Konventionelle faseroptische Sensoren beruhen meist auf Rückstreuprozessen oder diskreten Mikrostrukturierungen (Faser-Bragg-Gittern) in Sensorfasern. Das Forschungsvorhaben OrbitFlySens verfolgt ein neuartiges Sensorkonzept basierend auf optisch gefangenen Mikropartikeln, die in Hohlkernfasern auf einem Orbit kreisen. Durch den Einfluss physikalischer Umgebungsgrößen wie z. B. Temperatur, Druck, elektrischem Feld sowie Störstellen innerhalb der Hohlkernfaser auf die Partikelbewegung können die „fliegenden“ Partikel als Mikrosensoren eingesetzt und dabei prinzipiell kilometerweit entlang einer Hohlkernfaser optisch bewegt werden. Die Erweiterung des bisherigen Konzepts axial-bewegter Partikel um eine zusätzliche Orbitalbewegung entkoppelt hierbei die Partikelpositionierung vom eigentlichen Sensormechanismus. Dies ermöglicht eine verbesserte örtliche Sensorauflösung im µm-Bereich, einen flexibleren Einsatz und die vektorielle Bestimmung von elektrischen Feldern. Im Projektverlauf von HiFlySens konnten exzellente Ergebnisse bezüglich der Lokalisierung der Partikel und der Kontrolle ihrer Bewegung entlang der Faser realisiert werden. Für ruhende Partikel wurde eine Ortsauflösung im Bereich der Partikelgröße, für bewegte Partikel z.B. im Rahmen von Temperaturmessungen bis 200 °C im sub-mm-Bereich erzielt. Die erzielbare Sensorauflösung ist durch die axiale Partikelbewegung maßgeblich limitiert. Daher soll im Rahmen des Projekts OrbitFlySens eine orbitale Bewegung eines Partikels für Sensoranwendungen genutzt werden. Hierfür soll der Bahndrehimpuls (Engl.: Orbital Angular Momentum, OAM) eines Laserstrahls erstmals auf ein optisch levitiertes Partikel in einer Hohlkernfaser übertragen werden. Für die Demonstration eines solchen Sensors ergeben sich folgende Forschungsziele: (I.) Theoretische Untersuchung eines um die Faserachse kreisenden Partikels, das durch einen OAM-Strahl optisch gefangen ist, (II.) Erzeugung von OAM-Moden und Design einer OAM-erhaltenden Hohlkernfaser, (III.) Erforschung eines Rotationsdetektionsverfahrens zur Messung der momentanen Orbitalfrequenz eines optisch levitierten Partikels und dessen Position in der Faser (IV.), simultane Kontrolle und Messung der orbitalen und axialen Partikeltrajektorie sowie Demonstration einer Sensoranwendung (V.). Die Projektpartner planen, die Zusammenarbeit aus HiFlySens fortzusetzen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen sowie der Expertise im Bereich der Partikellokalisierung (Schmauss) und der Hohlkernfasern (Joly) kann das Sensorkonzept aus HiFlySens so erweitert werden, dass die Ortsauflösung um mindestens den Faktor 10 erhöht werden kann. Daneben ermöglicht das neuartige Prinzip parallel zur Temperaturmessung auch die Bestimmung von elektrischen Feldern nach Richtung, Betrag und Phase. Zur Demonstration wird ein Sensor zur kombinierten Erfassung von Temperatur und elektrischem Feld mit einer Anwendungsperspektive im Bereich der elektrischen Energietechnik aufgebaut und charakterisiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen