Onderzoekers van de Universiteit van Tampere hebben met succes een nieuw ontwerp van optische vezels ontwikkeld waarmee regenbooglaserlicht kan worden gegenereerd in het elektromagnetische gebied van moleculaire vingerafdrukken. Deze nieuwe optische vezel met een zelfreinigende straal kan helpen bij het ontwikkelen van toepassingen voor bijvoorbeeld het labelen van verontreinigende stoffen, kankerdiagnostiek, milieumonitoring en voedselcontrole. De bevinding werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Wanneer een krachtige ultrakorte lichtpuls interageert met een materiaal zoals een optische glasvezel, vindt een reeks zeer niet-lineaire interacties plaats die complexe veranderingen veroorzaken in zowel de temporele als de spectrale eigenschappen van het geïnjecteerde licht. Wanneer ze tot het uiterste worden doorgevoerd, kunnen dergelijke interacties leiden tot het genereren van een regenbooglaser van licht die gewoonlijk wordt aangeduid als een supercontinuümlichtbron. Sinds de eerste demonstratie in een speciaal type optische vezel in 2000 heeft supercontinuümlaserlicht een revolutie teweeggebracht in vele wetenschapsgebieden, variërend van metrologie en beeldvorming met een ongekende resolutie tot ultrabreedband teledetectie en zelfs de detectie van exoplaneten.

Het huidige knelpunt met de huidige supercontinuümbronnen is echter dat ze zijn gebaseerd op optische vezels die een enkel transversaal intensiteitsprofiel of -modus ondersteunen, wat inherent hun optische vermogen beperkt. Bovendien zijn conventionele optische vezels gemaakt van silicaglas met een transmissie beperkt tot het zichtbare en nabij-infrarode gebied van het spectrum. Uitbreiding van supercontinuümlicht naar andere golflengteregimes zoals het midden-infrarood vereist optische vezels gemaakt van zogenaamde zachte glazen, maar deze hebben een lagere schadedrempel dan silica, waardoor de kracht van de supercontinuümbundel nog meer wordt beperkt.

Niet-silica optische vezel met een zelfreinigende straal

Onlangs is aangetoond dat een ander type optische vezel met een brekingsindex die continu varieert over de vezelstructuur, een dramatische toename van het supercontinuümvermogen oplevert, terwijl een glad straalintensiteitsprofiel behouden blijft. "De variatie in de brekingsindex van dergelijke optische vezels met een graduele index leidt tot periodieke focussering en defocussering van het licht in de vezel, wat een koppeling mogelijk maakt tussen ruimtelijke en temporele niet-lineaire interacties tussen licht en materie. Dit leidt tot een zelfreinigend mechanisme dat supercontinuümlicht oplevert met hoog vermogen en een helder bundelprofiel. Naast hun vele toepassingen bieden ze ook een manier om fundamentele natuurkundige effecten zoals golfturbulentie te bestuderen", zegt professor Goëry Genty, de leider van de onderzoeksgroep aan de Universiteit van Tampere.

Hoewel deze vezels recentelijk veel aandacht hebben gekregen van de onderzoeksgemeenschap, is het gebruik ervan tot nu toe beperkt gebleven tot het zichtbare en nabij-infrarood. In samenwerking met de groep van profs. Buczynski en Klimczak aan de Universiteit van Warschau (Polen) en de groep van Prof. Dudley aan de Universiteit van Bourgondië, Frankrijk-Comté (Frankrijk), demonstreerde het team van Tampere voor het eerst de generatie van een supercontinuüm van twee octaven van het zichtbare naar midden-infrarood in een non-silica graded-index vezel met een zelfreinigende straal.

"Dit probleem is nu opgelost door een bepaald ontwerp te gebruiken dat gebruik maakt van twee soorten lood-bismut-gallaat glasstaven met verschillende brekingsindices die zijn getekend om een ​​nanogestructureerde kern te verkrijgen. Het resultaat is een vezel met een gegradeerde index met een effectief parabolisch brekingsindexprofiel met transmissie tot het midden-infrarood, en, als kers op de taart, verbeterde niet-lineaire interacties tussen licht en materie", zegt onderzoeker Zahra Eslami.

Groot potentieel in diagnostiek en monitoring

Het midden-infrarood is van cruciaal belang omdat het de karakteristieke trillingsovergangen van veel belangrijke moleculen bevat.

"De nieuwe oplossing zal leiden tot efficiëntere supercontinuum-lichtbronnen in het midden-infrarood met veel potentiële toepassingen, bijvoorbeeld voor het labelen van verontreinigende stoffen, kankerdiagnostiek, machinevisie, milieumonitoring, kwaliteit en voedselcontrole", legt Genty uit.

De onderzoekers verwachten dat dit nieuwe type vezel zeer binnenkort een belangrijk en standaardmateriaal zal worden voor het genereren van breedbandbronnen en frequentiekammen. + Verder verkennen

De curve afvlakken:nanofilm verbeterde supercontinuum-editie