Licht präzise lenken

Privatdozent Dr. Stefan Helfert forscht über Photonische Kristalle

Der Computer macht es anschaulich: Das Licht bahnt sich den Weg durch einen „Wald“ von Stäben und beschreibt dabei ein „S“. So sieht es zumindest für den Laien aus. Tatsächlich ist der „Wald“ ein Photonischer Kristall, mit dessen Hilfe das Licht in die gewünschte Richtung gelenkt werden kann. Privatdozent Dr. Stefan Helfert von der FernUniversität in Hagen kennt Aufbau und Funktionsweise dieser Kristalle genau. In seiner Antrittsvorlesung informierte der Mitarbeiter im Lehrgebiet „Optische Nachrichtentechnik“ von Prof. Dr. Jürgen Jahns in der Fakultät für Mathematik und Informatik über Photonische Kristalle und Holey Fibres und zeigte mögliche Anwendungen.

Was sind Photonische Kristalle?

Der Begriff „Photonischer Kristall“ stammt aus der Festkörperphysik. Der Kristall ist in diesem Zusammenhang ein homogener, d.h. einheitlicher, Körper aus periodisch angeordneten Strukturen wie Halbleitern oder Gläsern“, erklärt Helfert. Photonen sind Bausteine elektromagnetischer Strahlung, also Lichtteilchen. Periodisch bedeutet, dass sich die spezifischen Eigenschaften der Halbleiter und Gläser, auch Materialien genannt, in regelmäßigen Abständen wiederholen. Sie beeinflussen die Ausbreitung des Lichts und müssen daher mindestens teilweise für elektromagnetische Wellen wie z. B. Licht durchlässig sein. „Licht“ meint hier neben dem optischen, sichtbaren Licht auch elektromagnetische Wellen, deren Wellenlänge in der Nähe des sichtbaren Lichtes liegt und bei dem die gleichen Effekte wie bei sichtbarem auftreten. Das trifft beispielsweise auf Infrarot-Licht zu.

Photonische Kristalle kann man sich als einen Block von Stäben vorstellen. Jeder Stab symbolisiert die sich wiederholenden Eigenschaften der Materialien. Wird Licht durch Photonische Kristalle geleitet, wird es an jedem Übergang, also an jedem Stab, gebrochen und reflektiert. Nach außen entweichen kann das Licht nicht, da die Abstände zwischen den Stäben dafür zu klein sind. „In der Regel liegen die Abstände in der Größenordnung einer halben Wellenlänge“, erklärt der Wissenschaftler. Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge von etwa 380 bis 750 Nanometer. Ein Nanometer entspricht dem Milliardstel eines Meters.

Variiert man den Abstand der Stäbe, verhält sich das Licht auf unterschiedliche Weise. „Bei einem passenden Abstand überlagern sich die reflektierten Wellen phasengleich, so dass das Licht vollständig reflektiert wird und der Photonische Kristall als Spiegel wirkt“, führt Helfert als Beispiel an. Werden einige Stäbe weggelassen, folgt das Licht diesen „Lücken“ und kann dadurch gelenkt werden – zum Beispiel in oben beschriebener „S“-Form.

Photonische Kristalle in der Praxis

Zurzeit beschäftigen Photonische Kristalle noch in erster Linie die Forscherinnen und Forscher. Erste Anwendungen in der Praxis gibt es allerdings bei Leuchtdioden (LEDs). LEDs mit photonischen Kristallen ermöglichen eine höhere Energieausbeute als die bisherigen LEDs und vor allem als die herkömmlichen Glühbirnen. Eingesetzt werden könnten Photonische Kristalle auch in der Signalführung auf dem Gebiet der Telekommunikation. „Licht wird schließlich nicht nur auf geradem Weg von Punkt A nach Punkt B geführt, sondern es werden mitunter auch Abzweigungen benötigt“, erläutert Helfert. Photonische Kristalle erlauben geringe Krümmungsradien dieser Abzweigungen. So geht kaum Energie durch Licht-Abstrahlung verloren. Bei anderen Wellenleiterformen treten dagegen stärkere Verluste auf.

In der Natur wird das Prinzip Photonischer Kristalle schon seit langem umgesetzt. So ergeben sich die Farben auf den Flügeln von Schmetterlingen nicht durch Farbstoffe, sondern durch periodisch angeordnete Pigmente. Diese sorgen dafür, dass nur bestimmte Frequenzen des Lichtes, also nur bestimmte Farben, reflektiert werden.

„Löchrige Fasern“ – eine Sonderform Photonischer Kristalle

Kommerziell erhältlich sind bereits die so genannten „Holey Fibres“ (auch „Photonic Crystal Fibre“) – eine Sonderform Photonischer Kristalle. Die Bezeichnung leitet sich vom englischen Wort „hole“ ab, was „Loch“ bedeutet. Ihre Struktur ist ebenfalls periodisch. Mit einem Loch versehene Glasstäbe und mit einem Durchmesser von etwa zwei Millimetern werden aneinandergelegt und durch Erwärmen und Ziehen auf den gewünschten Durchmesser verkleinert. Die Anordnung bleibt dabei maßstäblich erhalten.

Durch den Einbau gezielter Störungen wie das Entfernen eines Stabes oder das Einlegen eines Stabes mit anderen Eigenschaften lassen sich Bauteile für vielfältigste Anwendungen (z.B. für die optische Nachrichtentechnik) herstellen. Das Licht wird im Wesentlichen im Kern geführt. Besteht dieser aus Luft, kann eine hohe Energie mit geringen Verlusten durch die Faser auf einen bestimmten Punkt gelenkt werden kann. „Ein Anwendungsfeld dieser speziellen Fasern ist deshalb die Materialbearbeitung“, weiß Stefan Helfert.

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    Norwegische Xenophobien - vom Judenparagrafen des Jahres 1814 bis zum heutigen Rechtspopulismus - Referent: Prof. Dr. Einhart Lorenz
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