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Auf der Suche nach dem perfekten Match

Photonische Kristallfasern überlagern spektral weit auseinander liegende Lichtstrahlen

PTB News 2.2021
26.03.2021
Besonders interessant für

Anwendungen in der Photonik

Entwickler optischer Messtechnik

Wie legt man Lichtstrahlen so übereinander, dass sie sich räumlich möglichst perfekt entlang derselben Richtung ausbreiten und dabei wichtige Eigenschaften wie Polarisation und räumliche Kohärenz behalten? In einer systematischen Untersuchung verschiedener kommerziell verfügbarer Lichtwellenleiter wurde mit photonischen Kristallfasern ein Hilfsmittel gefunden, das diese schwierige Herausforderung deutlich erleichtert und damit unter anderem Mehrwellenlängeninterferometrie über mehrere Kilometer ermöglicht.

View of a microstructured fiber in an electron microscope (Photo credit: C. Markos, https://doi.org.10.1038/srep31711)

Verfahren, mit denen große Distanzen sehr genau bestimmt werden können, sind aus unserer modernen Welt nicht mehr wegzudenken. Egal ob GPS für die Navigation, Very Long Baseline Interferometry in der Astronomie oder Satellite- Laser-Ranging für die Vermessung der Erdoberfläche – alle diese Verfahren benötigen Referenzdistanzen bis hin zu einigen tausend Metern, damit ihre Eigenschaften studiert und optimiert werden können. Für die Referenzmessung entwickelt die PTB im Rahmen des europäischen EMPIR-Projekts „GeoMetre“ ein Interferometer, bei dem Strahlen mit Wellenlängen von 532 nm und 1064 nm möglichst perfekt übereinander liegen müssen. Dafür wurden diese bisher mit halbtransparenten Spiegeln im Freistrahl überlagert. Die Stabilität dieser aufwendigen Justage ist aber durch die verwendeten mechanischen Bauteile begrenzt.

Für den anvisierten Einsatz im Feld wurde eine robustere Lösung gesucht. Dabei bieten sich Lichtwellenleiter für die Überlagerung an. Für Interferometrie müssen aber auch Strahlhomogenität, Polarisation und räumliche Kohärenz aller Strahlen erhalten bleiben. In einer systematischen Studie wurden verschiedene Wellenleiterarchitekturen diesbezüglich gegeneinander verglichen. Dabei ergab sich, dass mikrostrukturierte, photonische Kristallfasern eine nahezu perfekte Lösung bieten. Sie können in einem breiten spektralen Bereich (z. B. von 400 nm bis 1200 nm) eine monomodale, polarisationserhaltende Transmission unter Beibehaltung der räumlichen Kohärenz sicherstellen. Auch die für die Anwendung typischen mechanischen Belastungen stellen dabei kein Problem dar.

Der „perfekte Match“ wird allein durch das stark wellenlängenabhängige Öffnungsverhältnis, die numerische Apertur, verhindert: Verschiedene Wellenlängen werden mit unterschiedlichen Strahldurchmessern emittiert. Dies kann jedoch bei der Auslegung der Optik berücksichtigt werden, und so bieten sich photonische Kristallfasern für die magnefluchtende Strahlüberlagerung mit hoher Qualität sowohl für den oben genannten Einsatzzweck als auch für andere Anwendungen, etwa in der Spektroskopie, an.

Ansprechpartner

Florian Pollinger
Fachbereich 5.4
Interferometrie an Maßverkörperungen
Telefon: 0531 592-5420
Opens local program for sending emailflorian.pollinger(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

Y. Liu, A. Röse, G. Prellinger, P. Köchert, J. Zhu, F. Pollinger: Combining harmonic laser beams by fiber components for refractivity-compensating two-color interferometry. J. Lightwave Technology 38, 1945–1952 (2020)