Forscher entwickeln Glasfasern für große Wellenlängen

Forscher der Penn State University haben das erste Lichtleiterkabel mit einem Kern aus Zinkselenid, chemisch ZnSe, produziert, einem leicht gelblichen Material, das als Halbleiter verwendet werden kann. Das neue Material soll eine größere Bandbreite von Wellenlängen ermöglichen. Dardurch ist die optische und elektrische Qualität im Vergleich mit gängigen Glasfaserkabeln besser. Zinkselenid-Leiter machen nach Aussage der Forscher die Manipulation von Licht effektiver und die Laserradartechnik vielseitiger.

„Der Hauptvorteil ist, dass diese Lichtleiter über ein weites Spektrum von Wellenlängen funktionieren, besonders im langen Infrarotbereich. Genauso wichtig ist, dass man die Materialeigenschaften eines aus kristallinen Komponenten bestehenden Halbleiters nutzen kann“, sagt John Badding, Chemieprofessor und Forschungsleiter des Projekts an der Universität.

Die Forscher erhoffen sich in der Zukunft verbesserte chirurgische und medizinische Laser, im militärischen Bereich bessere Laser für optische Gegenmaßnahmen und höher entwickelte Sensor-Laser, wie sie zum Beispiel zur Messung von Verschmutzungen und zum Aufspüren der Verbreitung von biologischen Kampfstoffen verwendet werden.

In seiner Pressemitteilung erklärt Badding, dass die Glaskerne schon immer ein Hemmschuh für die Lichtleitertechnik waren. „Die Atomanordnung in Glas ist ungeordnet. Dagegen ist sie in kristallinen Substanzen wie Zinkselenid hochgradig geordnet. Dadurch kann das Licht auch mit größeren Wellenlängen übertragen werden, besonders im mittleren Infrarotbereich.“

Die Kunst sei gewesen, die kristalline Komponente in die Lichtleiter hineinzubringen. Das habe zuvor noch nie jemand getan. Badding und sein Team hätten ein neuartiges chemisches Abscheidungsverfahren benutzt, das von Justin Sparks, einem Chemiestudenten, entwickelt wurde. Dadurch seien die Zinkselenidkerne in haarfeine Quarzglasfasern eingebettet worden, woraus die neuen optischen Leiter entstanden.

Nach der Entwicklung der neuen optischen Leiter stellten die Wissenschaftler fest, dass sie bei der Umwandlung von Licht in andere Farben effektiver waren als gängige Glasfasern. „Wenn herkömmliche Lichtkabel für Zeichen, Anzeigetafeln und Kunstobjekte benutzt werden, produzieren sie häufig nicht die gewünschte Farbe“, so Badding. „Zinkselenid kann Farben besser ändern, wenn man einen Prozess mit dem Namen ’nichtlineare Frequenzumwandlung‘ benutzt.“

Fasern aus Zinkselenid können außerdem die längeren Wellen von Infrarotlicht übertragen. „Dieser Frequenzbereich liefert aufregende Möglichkeiten. Man kann jetzt Fasern als Infrarotlaser benutzen“, sagt Badding. „Das Militär benutzt beispielsweise derzeit Laserradartechnik, die mit einem Bereich nahe dem Infrarotspektrum, 2 bis 2,5 Mikrometer, umgehen kann. Ein Gerät für den mittleren Infrarotbereich über fünf Mikrometer wäre genauer. Unsere Fasern können Wellenlängen bis zu 15 Mikrometer übertragen.“

Könnte man Licht mit dieser Wellenlänge in die Atmosphäre transportieren, könnten Wissenschaftler zum Beispiel Moleküle bestimmter Schmutzstoffe oder giftiger Substanzen in der Atmosphäre entdecken, die Licht wesentlich größerer Wellenlänge absorbieren. Die Ergebnisse der Penn University sind in der Fachzeitung „Advanced Materials“ veröffentlicht.