Photonische Kristallfaser: ein Sensor für alle Fälle

„Am Anfang stand die Idee, einen Radioaktivitäts-Sensor für das Innere eines Kernkraftwerkes zu entwickeln“, sagt Tijmen Euser vom Erlanger Max-Planck-Institut. Für ähnliche Aufgaben werden oft Glasfasern als faseroptische Sensoren verwendet. Gemessen wird dabei, wie das Licht, das durch die Faser geschickt wird, von einem äußeren Faktor beeinflusst wird. Mit einem solchen faseroptischen Sensor lässt sich eine physikalische Größe auch aus der Entfernung messen. Für die Messung der Radioaktivität in einem Reaktor würde sich ein faseroptischer Sensor empfehlen, weil er die ganze Oberfläche abdecken könnte, wenn die Faser um den Reaktor gewickelt wird. Doch wie sich herausstellte, verdunkelt radioaktive Strahlung das Innere herkömmlicher Glasfasern, sodass sich kein Licht mehr darin ausbreiten kann. Als Messinstrument für die Radioaktivität fallen diese Glasfasern also aus.

Die Glasfasern, denen wir vor allem hohe Raten in der Datenübertragung und damit ein schnelles Internet verdanken, besitzen einen inneren Kanal aus Glas mit hohem Brechungsindex, umgeben von einem Mantel aus Glas mit niedrigem Brechungsindex. Der Unterschied im Brechungsindex sorgt dafür, dass ein Lichtstrahl an der Grenze zum Mantel reflektiert wird. Er bleibt auf diese Weise im Kern gefangen wie Wasser in einem Rohr und folgt der Glasfaser, auch wenn diese eine Kurve macht.

Zwei Laserstrahlen manövrieren ein Mikrokügelchen durch eine hohle Glasfaser

In photonischen Kristallfasern (PCFs), die Philip Russell, Direktor am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, vor etwa 20 Jahren erfunden hat, ist der innere Kanal hingegen hohl und in der Regel mit Luft gefüllt. Der Hohlkanal wird seiner ganzen Länge nach von weiteren hohlen Kanälen umgeben. Der Durchmesser dieser Kanäle ist nur ein paar Mal so groß wie die Wellenlänge von Licht. Das führt dazu, dass die Kanäle die Ausbreitung des Lichts beeinflussen. Genauer gesagt, halten sie Licht im inneren Kanal gefangen – ähnlich wie die unterschiedlichen Glassorten in herkömmlichen Glassorten. Die besonderen Eigenschaften photonischer Kristalle ermöglichen jedoch einige Anwendungen, die mit herkömmlichen Glasfasern nicht möglich sind.

Für das Team um Tijmen Euser und Philip Russell war dabei der hohle Kern der Fasern entscheidend. Da sich der luftgefüllte Hohlraum durch radioaktive Strahlung nicht verdunkeln kann, sahen die Forscher in den PCFs eine interessante Alternative zu herkömmlichen faseroptischen Sensoren, um letztlich auch Radioaktivität zu messen.

Ob sich photonische Kristallfasern prinzipiell als Sensoren eignen, prüften die Erlanger Physiker, indem sie die Fasern zunächst zur Messung elektrischer Felder, von Vibrationen und Temperaturen einsetzten.

Als Messsonde verwendeten sie dabei ein winziges Glaskügelchen, das durch den nur wenige Tausendstel Millimeter dünnen Hohlkanal der Kristallfaser geleitet wird. Dazu sendeten sie von beiden Enden der Faser je einen Laserstrahl durch den Kanal. Das Kügelchen reflektiert das Licht wie ein winziger Spiegel und erfährt dabei durch die Stöße der Lichtteilchen von beiden Seiten einen Druck. Indem die Forscher die Leistung der beiden Laserstrahlen unterschiedlich stark einstellten, wurde das Kügelchen in eine Richtung etwas stärker gedrückt und bewegte sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch die Faser. Ähnlich wie die Beleuchtungseinheit eines Flachbettscanners kann das Teilchen nun jeweils eine Messgröße entlang der Glasfaser abtasten.

Im starken elektrischen Feld dringt weniger Licht durch die Faser

Um die Stärke eines elektrischen Feldes zu messen, machten sich die Erlanger Forscher zunutze, dass sich das Kügelchen durch Reibung an anderen Kügelchen elektrisch aufgeladen hat, ehe sie es durch die hohle Faser schicken. Daher wird es in einem elektrischen Feld von der Mitte des Kanals an dessen Rand gelenkt, wodurch es mehr Laserlicht zur Seite reflektiert als in der Normalposition. Diese Lichtabschwächung misst eine Photodiode an einem Ende der Faser. Die Größe des Verlustes ist dabei proportional zur Stärke des elektrischen Feldes, das sich auf diese Weise aus der Ferne bestimmen lässt.

Um herauszufinden, wie gut aufgelöst sich mit dem fliegenden Kügelchen die räumliche Verteilung der Feldstärke messen lässt, führten die Forscher die Glasfaser an sehr feinen Elektroden vorbei, deren dünnste nur 200 Mikrometer (ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter) maß. Tatsächlich bildeten die Forscher die feine Struktur der Elektroden mit dem ihrem faseroptischen Messinstrument präzise ab. „Auf ähnliche Weise könnten mit einem magnetischen Kügelchen magnetische Felder äußerst genau vermessen werden“, sagt Dmitry Bykov, Doktorand am Erlanger Max-Planck-Institut und Erstautor der Studie. Auch Vibrationen ließen sich auf die gleiche Weise bestimmen, da sie das Teilchen ebenfalls aus der Mitte der Faser ablenken. Unterscheiden lassen sich elektrische Felder und Vibrationen durch das Verhalten verschieden stark geladener Kügelchen.

Demonstriert haben Bykov und seine Kollegen auch, dass ihre PCF die Temperatur messen kann. Dafür nutzen sie den Umstand, dass die Zähigkeit der Luft mit steigender Temperatur abnimmt, und das Teilchen somit schneller durch den Kanal der Faser wandert. Um seine Geschwindigkeit zu messen, beleuchten die Physiker das Kügelchen mit einem zusätzlichen schwachen Laser. Dabei nutzen sie den Doppler-Effekt aus, der von vorbeifahrenden Autos bekannt ist. Deren Geräusche klingen höher, wenn sie sich uns nähern, als wenn sie sich von uns entfernen. Ähnlich wie die Wellenlänge der Schallwellen verhalten sich auch Wellenlängen des Lichts, wenn dieses von bewegten Objekten ausgesendet wird.

Mit fluoreszierenden Kügelchen zum Sensor für Radioaktivität

In ihrem Experiment heizten die Forscher einen Teil der Faser mit einem Ofen auf Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius. Diese Temperaturen konnten sie auf etwa fünf Grad genau gemessen. Die Ortsgenauigkeit lag bei dieser Methode wegen Schwankungen in der Geschwindigkeit nur bei einigen Zentimetern. „Mittels eines rotierenden Teilchens, dessen Rotationsfrequenz von der Zähigkeit der Luft abhängt, könnte man aber auch auf Mikrometer genau messen“, erklärt Euser.

„Als nächstes wollen wir den Radioaktivitätssensor realisieren“, sagt Bykov. Dafür möchten die Forscher fluoreszierende Kügelchen verwenden, die absorbierte radioaktive Strahlung in Form von sichtbarem Licht wieder aussenden. Aufschluss über die Stärke der Radioaktivität am Ort des Kügelchens gäben dann die Änderungen in der Intensität der Fluoreszenz.

Bykov sieht großes Potenzial in der neuen Technik. Die Ortsauflösung sei theoretisch nur durch die Größe der Partikel begrenzt. Mit Hilfe von Nanopartikeln lasse sich somit nanometergenau messen, also im Größenbereich von Viren. Die maximale Länge der Sensorfaser liegt derzeit bei ca. 400 Meter. Denn das Laserlicht unterliegt bei der Übertragung in der PCF Verlusten, weshalb sich die Glaskügelchen ab einer gewissen Länge nicht mehr festhalten lassen. Es gibt aber auch PCFs mit deutlich geringeren Verlusten. Mit diesen könnte die Reichweite der Fasersensoren auf mehrere zehn Kilometer erhöht werden.

Tijmen Euser sieht daher eine Vielzahl an weiteren Einsatzmöglichkeiten, insbesondere, wenn Messungen unter rauen Bedingungen und großen Entfernungen vorgenommen werden müssen. „Ein Beispiel für mögliche Anwendungen sind Ölpipelines“, sagt der Physiker. Messungen der Vibration könnten hier frühzeitig Schäden etwa durch Sabotage aufdecken. Aber auch entlang von Hochspannungsleitungen oder in Umspannwerken könnten die Sensoren nützlich sein. Hier ließen sich elektrische Felder, Vibrationen und Temperaturen und damit drei Größen, die in diesen Anlagen relevant sind mit einem einzigen Messinstrument aufzeichnen.