Optisk fiber med Einstein -effekt

Forskere ved Max Planck Institute for the Science of Light i Erlangen har opdaget en ny mekanisme til styring af lys i fotonisk krystalfiber (PCF). PCF er en hår-tynd glasfiber med en regelmæssig række hule kanaler, der løber langs dens længde. Når spiralformet snoet, dette spiralformede array af hule kanaler virker på lysstråler på en analog måde til bøjning af lysstråler, når de bevæger sig gennem det tyngdekraftigt buede rum omkring en stjerne, som beskrevet af den generelle relativitetsteori.

Optiske fibre fungerer som rør til lys. Og ligesom indersiden af ​​et rør er omsluttet af en væg, optiske fibre har normalt en lysstyrende kerne, hvis glas har et højere brydningsindeks end glasset i den omsluttende yderbeklædning. Forskellen i brydningsindekset får lyset til at reflekteres ved beklædningsfladen og fanges i kernen som vand i et rør. Et hold under ledelse af Philip Russell, Direktør ved Max Planck Institute for the Science of Light, er den første til at lykkes med at lede lys i en PCF uden kerne.

Fotoniske krystaller giver sommerfugle deres farve og kan også lede lys

En typisk fotonisk krystal består af et stykke glas med huller arrangeret i regelmæssigt periodisk mønster i hele dets volumen. Da glas og luft har forskellige brydningsindekser, brydningsindekset har en periodisk struktur. Det er grunden til, at disse materialer kaldes krystaller - deres atomer danner en ordnet, tredimensionelt gitter som findes i krystallinsk salt eller silicium, for eksempel. I en konventionel krystal, den præcise konstruktion af 3D-strukturen bestemmer elektronernes adfærd, resulterer f.eks. i elektriske isolatorer, ledere og halvledere.

På lignende måde, de fotoniske krystals optiske egenskaber afhænger af den periodiske 3D-mikrostruktur, som er ansvarlig for de skinnende farver på nogle sommerfuglvinger, for eksempel. At være i stand til at kontrollere de optiske egenskaber af materialer er nyttig i en lang række applikationer. De fotoniske krystalfibre udviklet af Philip Russell og hans team ved Erlangen-baserede Max Planck Institute kan bruges til at filtrere specifikke bølgelængder ud af det synlige spektrum eller til at producere meget hvidt lys, for eksempel.

Som det er tilfældet med alle optiske fibre, der anvendes i telekommunikation, alle konventionelle fotoniske krystalfibre har en kerne og beklædning med forskellige brydningsindeks eller optiske egenskaber. I PCF, de luftfyldte kanaler giver allerede glasset et brydningsindeks, der er forskelligt fra det, det ville have, hvis det var helt fast.

Hullerne definerer rummet i en fotonisk krystalfiber

"Vi er de første til at lykkes med at lede lys gennem en kerneløs fiber, "siger Gordon Wong fra Max Planck Institute for the Science of Light i Erlangen. Forskerne, der arbejder i Philip Russells team, har fremstillet en fotonisk krystalfiber, hvis komplette tværsnit er tæt pakket med et stort antal luftfyldte kanaler, hver omkring en tusindedel af en millimeter i diameter, som strækker sig i hele sin længde.

Mens kernen i en konventionel PCF er massivt glas, tværsnittet af den nye optiske fiber ligner en sigte. Hullerne har regelmæssige adskillelser og er arrangeret således, at hvert hul er omgivet af en regelmæssig sekskant af nærliggende huller. "Denne struktur definerer rummet i fiberen, "forklarer Ramin Beravat, hovedforfatter til publikationen. Hullerne kan betragtes som afstandsmarkører. Det indre af fiberen har derefter en slags kunstig rumlig struktur, som dannes af det regelmæssige gitter af huller.

"Vi har nu fremstillet fiberen i en snoet form, "fortsætter Beravat. Vridningen får de hule kanaler til at sno sig rundt om fiberens længde i spiralformede linjer. Forskerne overførte derefter laserlys gennem fiberen. I tilfælde af den almindelige, kerneløst tværsnit, man ville faktisk forvente, at lyset fordeler sig mellem hullerne i sigten lige så jævnt som deres mønster bestemmer, dvs. i kanten lige så meget som i midten. I stedet, fysikerne opdagede noget overraskende:lyset var koncentreret i det centrale område, hvor kernen i en konventionel optisk fiber er placeret.

I en snoet PCF, lyset følger den korteste vej i fiberens indre

"Effekten er analog med krumningen af ​​rummet i Einsteins generelle relativitetsteori, "forklarer Wong. Dette forudsiger, at en tung masse som Solen vil fordreje rummet omkring det - eller mere præcist, forvrænge rumtiden, dvs. kombinationen af ​​de tre rumlige dimensioner med den fjerde dimension, tid - som et stykke gummi, hvori en blykugle er placeret. Lys følger denne krumning. Den korteste vej mellem to punkter er da ikke længere en lige linje, men en kurve. Under en solformørkelse, stjerner, der virkelig skulle være skjult bag solen, bliver således synlige. Fysikere kalder disse korteste forbindelsesstier "geodesik".

"Ved at vride fiberen, 'rummet' i vores fotoniske krystalfiber bliver også snoet, "siger Wong. Dette fører til spiralformede geodesiske linjer, som lys bevæger sig langs. Dette kan intuitivt forstås ved at tage højde for, at lys altid tager den korteste vej gennem et medium. Glasstrengene mellem de luftfyldte kanaler beskriver spiraler, som definerer mulige veje for lysstrålerne. Stien gennem de brede spiraler i fiberkanten er længere end den gennem de tættere viklede spiraler i midten, imidlertid, hvilket resulterer i buede stråleveje, der ved en bestemt radius reflekteres af en fotonisk krystaleffekt tilbage mod fiberaksen.

En snoet PCF som en stor miljøsensor

Jo mere fiberen er snoet, jo smallere er rummet, inden for hvilket lyset koncentrerede sig. I analogi med Einsteins teori, dette svarer til en stærkere tyngdekraft og dermed en større nedbøjning af lyset. De Erlangen-baserede forskere skriver, at de har skabt en "topologisk kanal" for lyset (topologi er bekymret for rumets egenskaber, der bevares under kontinuerlig forvrængning).

Forskerne understreger, at deres arbejde er grundforskning. De er en af ​​de meget få forskningsgrupper, der arbejder på dette område overalt i verden. Alligevel, de kan tænke på flere applikationer til deres opdagelse. En snoet fiber, der er mindre snoet med bestemte intervaller, for eksempel, vil tillade en del af lyset at flygte til ydersiden. Lys kan derefter interagere med miljøet på disse definerede steder. "Dette kan bruges til sensorer, der måler absorptionen af ​​et medium, for eksempel. "Et netværk af disse fibre kunne indsamle data over store områder som en miljøsensor.