Diese Technologie könnte zur Entwicklung verbesserter chirurgischer und medizinischer Laser, effektiverer Laserabwehrsysteme für militärische Zwecke sowie umweltsensiblerer Laser eingesetzt werden, beispielsweise zur Messung von Schadstoffen und zur Erkennung der Ausbreitung chemischer Kampfstoffe bei Bioterrorismus. Die Forschungsergebnisse des Teams werden in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlicht.
„Es ist schon fast ein Klischee, dass Glasfasertechnik der Grundstein des modernen Informationszeitalters ist“, sagte Badding. „Diese langen, dünnen Fasern, die dreimal dicker sind als ein menschliches Haar, können mehr als ein Terabyte an Daten pro Sekunde übertragen. Dennoch gibt es immer Möglichkeiten, die bestehende Technologie zu verbessern.“ Badding erklärte, dass die Glasfasertechnologie bisher durch die Verwendung eines Glaskerns eingeschränkt war. „Glas hat eine zufällige Anordnung der Atome“, sagte Badding. „Im Gegensatz dazu ist eine kristalline Substanz wie Zinkselenid hochgeordnet. Dadurch kann Licht auch bei längeren Wellenlängen, insbesondere im mittleren Infrarotbereich, übertragen werden.“.
Anders als Quarzglas, das üblicherweise in optischen Fasern verwendet wird, ist Zinkselenid eine Halbleiterverbindung. „Wir wissen schon lange, dass Zinkselenid eine nützliche Verbindung ist, die Licht auf eine Weise manipulieren kann, die mit Quarzglas nicht möglich ist“, sagte Badding. „Die Herausforderung bestand darin, diese Verbindung in eine Faserstruktur zu integrieren – etwas, das zuvor noch nie gelungen war.“ Mithilfe eines neuartigen Hochdruck-Abscheidungsverfahrens, das von Justin Sparks, einem Doktoranden am Institut für Chemie, entwickelt wurde, deponierten Badding und sein Team Zinkselenid-Leiterkerne in Quarzglaskapillaren, um die neue Klasse optischer Fasern herzustellen. „Die Hochdruckabscheidung ist die einzige Methode, die die Herstellung so langer, dünner Zinkselenid-Faserkerne auf so engem Raum ermöglicht“, sagte Badding.
Die Wissenschaftler entdeckten, dass die Zinkselenid-Lichtleitfasern in zweierlei Hinsicht nützlich sein könnten. Erstens stellten sie fest, dass die neuen Fasern Licht effizienter von einer Farbe in eine andere umwandeln. „Wenn herkömmliche optische Fasern für Proben, Displays und Kunstwerke verwendet werden, ist es nicht immer möglich, die gewünschten Farben zu erzielen“, erklärte Badding. „Zinkselenid ist durch einen Prozess namens nichtlineare Frequenzumwandlung besser in der Lage, Farben zu verändern.“
Zweitens stellten Badding und sein Team, wie erwartet, fest, dass die neue Faserklasse nicht nur im sichtbaren Spektrum, sondern auch im Infrarotbereich eine höhere Flexibilität bietet. Herkömmliche Glasfasertechnologie ist bei der Übertragung von Infrarotlicht nicht effizient. Die von Baddings Team entwickelten Zinkselenid-Glasfasern hingegen können längere Wellenlängen im Infrarotbereich übertragen. „Die Nutzung dieser Wellenlängen ist sehr vielversprechend, da sie einen Schritt hin zur Herstellung von Fasern darstellt, die als Infrarotlaser eingesetzt werden können“, erklärte Badding. „Beispielsweise verwendet das Militär derzeit Laser-Radar-Technologie, die den Nahinfrarotbereich (2 bis 2,5 µm) abdeckt. Ein Gerät, das den mittleren Infrarotbereich (5 µm) erfassen kann, wäre deutlich präziser. Die von uns entwickelten Fasern können Wellenlängen bis zu 15 µm übertragen.“.
Badding erklärte außerdem, dass die Erkennung von Umweltverschmutzungen und Toxinen eine weitere Anwendung verbesserter Laser-Radar-Technologie sein könnte, die mit Licht längerer Wellenlängen interagieren kann.
Darüber hinaus erwähnte Badding, dass Zinkselenid-Lichtwellenleiter neue Forschungswege eröffnen könnten, die lasergestützte Operationstechniken, wie beispielsweise die Korrektur von Augenerkrankungen, verbessern könnten.
Neben Badding und Sparks trugen auch Rongrui He vom Department für Chemie und Materialwissenschaften des Penn State Research Institute, Mahesh Krishnamurthi und Venkatraman Gopalan vom Department für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sowie vom Materials Research Institute der Penn State University und Pier J.A. Sazio, Anna C. Peacock und Noel Healy vom Optoelectronics Research Centre der University of Southampton zu dieser Studie bei. Die technische Unterstützung für diese Forschung erfolgte durch den Engineering and Physical Sciences Research Council, die National Science Foundation und das Materials Science and Research Center der Pennsylvania State University.
