Onderzoekers van het Max Planck Institute for the Science of Light in Erlangen hebben een nieuw mechanisme ontdekt voor het geleiden van licht in fotonische kristalvezel (PCF). PCF is een haardunne glasvezel met een regelmatige reeks holle kanalen die langs de lengte lopen. Wanneer spiraalvormig gedraaid, deze spiraalvormige reeks holle kanalen werkt op lichtstralen op een analoge manier als het buigen van lichtstralen wanneer ze door de door de zwaartekracht gekromde ruimte rond een ster reizen, zoals beschreven door de algemene relativiteitstheorie.

Optische vezels fungeren als buizen voor licht. En net zoals de binnenkant van een pijp wordt omsloten door een muur, optische vezels hebben normaal gesproken een lichtgeleidende kern, waarvan het glas een hogere brekingsindex heeft dan het glas van de omsluitende buitenbekleding. Het verschil in de brekingsindex zorgt ervoor dat het licht wordt gereflecteerd op het grensvlak van de bekleding en in de kern wordt gevangen als water in een pijp. Een team onder leiding van Philip Russell, Directeur van het Max Planck Institute for the Science of Light, is de eerste die erin is geslaagd om licht te leiden in een PCF zonder kern.

Fotonische kristallen geven vlinders hun kleur en kunnen ook licht geleiden

Een typisch fotonisch kristal bestaat uit een stuk glas met gaten die door het hele volume in een regelmatig periodiek patroon zijn gerangschikt. Omdat glas en lucht verschillende brekingsindexen hebben, de brekingsindex heeft een periodieke structuur. Dit is de reden waarom deze materialen kristallen worden genoemd - hun atomen vormen een geordende, driedimensionaal rooster zoals gevonden in kristallijn zout of silicium, bijvoorbeeld. In een conventioneel kristal, het precieze ontwerp van de 3D-structuur bepaalt het gedrag van elektronen, resulterend in bijvoorbeeld elektrische isolatoren, geleiders en halfgeleiders.

Op een vergelijkbare manier, de optische eigenschappen van een fotonisch kristal hangen af ​​van de periodieke 3-D microstructuur, die verantwoordelijk is voor de glinsterende kleuren van sommige vlindervleugels, bijvoorbeeld. Het kunnen controleren van de optische eigenschappen van materialen is nuttig in een breed scala aan toepassingen. De fotonische kristalvezels ontwikkeld door Philip Russell en zijn team van het Max Planck Instituut in Erlangen kunnen worden gebruikt om specifieke golflengten uit het zichtbare spectrum te filteren of om zeer wit licht te produceren. bijvoorbeeld.

Zoals het geval is met alle optische vezels die in de telecommunicatie worden gebruikt, alle conventionele fotonische kristalvezels hebben een kern en bekleding, elk met verschillende brekingsindices of optische eigenschappen. In PCF, de met lucht gevulde kanalen geven het glas al een andere brekingsindex dan het zou hebben als het volledig massief was.

De gaten bepalen de ruimte in een fotonische kristalvezel

"We zijn de eersten die erin zijn geslaagd om licht door een kernloze vezel te leiden, ", zegt Gordon Wong van het Max Planck Institute for the Science of Light in Erlangen. De onderzoekers van het team van Philip Russell hebben een fotonische kristalvezel gefabriceerd waarvan de volledige doorsnede dicht opeengepakt is met een groot aantal met lucht gevulde kanalen, elk ongeveer een duizendste van een millimeter in diameter, die zich over de gehele lengte uitstrekken.

Terwijl de kern van een conventionele PCF massief glas is, de dwarsdoorsnede van de nieuwe optische vezel lijkt op een zeef. De gaten hebben regelmatige scheidingen en zijn zo gerangschikt dat elk gat wordt omgeven door een regelmatige zeshoek van aangrenzende gaten. "Deze structuur definieert de ruimte in de vezel, " legt Ramin Beravat uit, hoofdauteur van de publicatie. De holes kunnen worden gezien als afstandsmarkeringen. Het inwendige van de vezel heeft dan een soort kunstmatige ruimtelijke structuur die wordt gevormd door het regelmatige rooster van gaten.

"We hebben de vezel nu in een gedraaide vorm gefabriceerd, " vervolgt Beravat. Door de verdraaiing wikkelen de holle kanalen zich in spiraalvormige lijnen om de lengte van de vezel. De onderzoekers stuurden vervolgens laserlicht door de vezel. In het geval van de reguliere, kernloze doorsnede, men zou eigenlijk verwachten dat het licht zich zo gelijkmatig over de gaten van de zeef zou verdelen als hun patroon bepaalt, d.w.z. net zo veel aan de rand als in het midden. In plaats daarvan, ontdekten de natuurkundigen iets verrassends:het licht was geconcentreerd in het centrale gebied, waar de kern van een conventionele optische vezel zich bevindt.

In een verwrongen PCF, het licht volgt de kortste weg in het binnenste van de vezel

"Het effect is analoog aan de kromming van de ruimte in Einsteins algemene relativiteitstheorie, " legt Wong uit. Dit voorspelt dat een zware massa zoals de zon de ruimte eromheen zal vervormen - of beter gezegd, ruimtetijd vervormen, dat wil zeggen de combinatie van de drie ruimtelijke dimensies met de vierde dimensie, tijd – als een vel rubber waarin een loden bol wordt geplaatst. Licht volgt deze kromming. Het kortste pad tussen twee punten is dan geen rechte lijn meer, maar een bocht. Tijdens een zonsverduistering, sterren die eigenlijk achter de zon verborgen zouden moeten zijn, worden zo zichtbaar. Natuurkundigen noemen deze kortste verbindingspaden "geodeten".

"Door de vezel te draaien, de 'ruimte' in onze fotonische kristalvezel raakt ook verdraaid, ", zegt Wong. Dit leidt tot geodetische helixlijnen waarlangs licht zich voortbeweegt. Dit kan intuïtief worden begrepen door rekening te houden met het feit dat licht altijd de kortste weg door een medium neemt. De glasstrengen tussen de met lucht gevulde kanalen beschrijven spiralen, die mogelijke paden voor de lichtstralen definiëren. Het pad door de brede spiralen aan de rand van de vezel is langer dan dat door de nauwer gewikkelde spiralen in het midden, echter, resulterend in gekromde straalpaden die bij een bepaalde straal worden gereflecteerd door een fotonisch kristaleffect terug naar de vezelas.

Een gedraaide PCF als grootschalige omgevingssensor

Hoe meer de vezel is gedraaid, des te smaller is de ruimte waarin het licht zich concentreerde. In analogie met de theorie van Einstein, dit komt overeen met een sterkere zwaartekracht en dus een grotere afbuiging van het licht. De onderzoekers uit Erlangen schrijven dat ze een "topologisch kanaal" voor het licht hebben gecreëerd (topologie houdt zich bezig met de eigenschappen van de ruimte die behouden blijven onder continue vervorming).

De onderzoekers benadrukken dat hun werk fundamenteel onderzoek is. Zij zijn een van de weinige onderzoeksgroepen die op dit gebied ter wereld werkzaam zijn. Hoe dan ook, ze kunnen verschillende toepassingen bedenken voor hun ontdekking. Een gedraaide vezel die op bepaalde intervallen minder gedraaid is, bijvoorbeeld, zal een deel van het licht naar buiten laten ontsnappen. Licht zou dan op deze gedefinieerde locaties kunnen interageren met de omgeving. "Dit zou kunnen worden gebruikt voor sensoren die de absorptie van een medium meten, bijvoorbeeld." Een netwerk van deze vezels zou gegevens over grote gebieden kunnen verzamelen als een omgevingssensor.