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Ultralange Laser stellen bisheriges Wissen über Lasertechnologie vor neue Herausforderungen

Das EU-finanzierte ULTRALASER-Projekt zeigt, dass Laser mehr sein können als bloße Quellen für kohärentes Licht. Entsprechend konfiguriert können sie ebenso als Übertragungsmedium dienen - eine Entwicklung, die Tür und Angel für eine Reihe neuer Anwendungen öffnet.
Ultralange Laser stellen bisheriges Wissen über Lasertechnologie vor neue Herausforderungen
Der Dank dafür gebührt u.a. Fortschritten in der Materialwissenschaft, der Technologie und der dahintersteckenden Physik. Laser sind durch sie heute etwas Allgegenwärtiges geworden und kommen in allen möglichen Bereichen zum Einsatz – einschließlich in Grundlagenwissenschaft, Produktion, Ingenieurswesen, Telekommunikation und Medizin. Das ULTRALASER-Projekt setzt diesen Fortschrittstrend in der Lasertechnologie fort und konzentriert sich auf die Entwicklung von ultralangen Lasern oder Lasern mit einem Resonator, der aus einer (bis zu mehreren tausend Kilometern) langen Spannweite aus Lichtwellenleitern gefertigt wurde, die durch die Raman-Streuung zu einem Verstärkungsmedium umgewandelt werden.

Ultralange Laser stellen die bisherige Sichtweise auf Laser als eine bloße Quelle für kohärentes Licht vor eine Herausforderung. Laut den Forschern des ULTRALASERS-Projekts kann ein Laser, unter Anwendung eines ultralangen Laserresonators in einem Glasfaserkabel, nicht nur als Quelle für kohärentes Licht dienen, sondern auch als Übertragungsmedium.

„Ein derartiger ultralanger Resonator, der eine Längenskala von mehreren hundert Kilometern haben kann, ist nicht nur ein faszinierendes neues physikalisches System, sondern könnte auch zu einer vollkommen neuen Sichtweise auf die Übermittlung von Informationen und sicherer Kommunikation führen,“ sagt Sergei Turitsyn, der Forschungsleiter des Projekts. Er merkt an, dass derartige Laser mit verlängerten Resonatoren und die sehr ähnlichen DFB-Zufalls-Faserlaser mit hoher Wahrscheinlichkeit Anwendungen in den Bereichen Telekommunikation, Spektroskopie, globale Positionsbestimmungssysteme, Materialaufbereitung und biomedizinische bildgebende Verfahren haben werden.

Eine neue Technologie voller Möglichkeiten

Die Teilnehmer des ULTRALASER-Projekts entwickelten eine neue Bauweise, die aus DFB-Zufallslasern besteht, die multiple Rayleigh-Streuung nutzen (also die Streuung von Licht auf Inhomogenitäten in einem Lichtwellenleitermedium). Kombiniert mit verteilter Raman-Amplifikation wurde dieser Vorgang verwendet, um Rückkoppelung und Lasern in Langfasern zu erzeugen.

„Wir sind davon überzeugt, dass die Amplifikationstechnik auf Grundlage von ultralangen Faserlasern eine neue Technologie mit vielen Möglichkeiten für Übertragung mit sehr langen Amplifikationsspannweiten sein könnte,“ merkt Turitsyn an. „Noch viel faszinierender ist, dass diese ‚quasi-verlustfreie‘ Faser wahrscheinlich interessante Anwendungen in der gesamten optischen nicht-linearen Datenverarbeitung haben wird.“ Laut Turitsyn wird dieser Fortschritt Methoden für die Entwicklung von photonischen Bauelementen basierend auf einer mathematischen Theorie über integrierbare nicht-lineare Systeme hervorbringen, die Funktionsweisen haben werden, die mit linearen optischen Bauelementen nicht erreicht werden könnten. „Diese Forschungen sind von unmittelbarer Bedeutung für die steigende Leistung der optischen Kommunikationssysteme,“ sagt er.

Des weiteren wurden bei dem Projekt neue Bauweisen für modengekoppelte Laser erforscht, darunter auch Resonanzen ohne Isolatoren und diverse Verstärkungsfasern zur Unterstützung der Erzeugung von Lasern im Wellenlängenbereich von 1-2 Mikronen. Die am Projekt beteiligten Forscher entdeckten auch einen neuen Mechanismus zur spontanen Musterbildung in Faserlasern, die das Ergebnis der periodischen Zickzack-Modulation der Verluste in verschiedenen Spektralkomponenten ist.

Laut Turitsyn ist diese Entdeckung wichtig für den Bau einer neuen Generation effizienter gepulster Faserlaser, die in den verschiedensten Bereichen Anwendung finden. „Unsere Forschungen haben zur Entwicklung neuer Vermessungs- und Signalverarbeitungstechniken zur Beschreibung teilweiser modengekoppelter und stochastischer Lasererzeugung und der Entdeckung der komplexen Intra-Resonator-Dynamik von Strahlung durch lokalisierte Strukturen geführt,“ sagt er. „Durch das Projekt wurde die Wissenschaft und Technologie von Lasern mit verlängerter Resonatorlänge weiterentwickelt.“

Weiterentwicklung der Physik und Eröffnung neuer Möglichkeiten

Es ist offensichtlich, dass durch das ULTRALASER-Projekt ein bedeutender Beitrag geleistet wurde zum Verständnis der Physik, die hinter ultralangen Faserlasern steckt und der nicht-linearen Physik, die hinter konventionellen Faserlasern steckt. „Wir haben neue Engineering-Technologien entwickelt und die aufkommenden Anwendungen in Forschung und Technik untersucht,“ erklärt Turitsyn. „Insgesamt wurde durch das Projekt die Physik, die hinter der Arbeitsweise von Faserlasern steckt, weiterentwickelt und neue Chancen und Ausrichtungen für High-Speed-Faser-Kommunikation, sichere Kommunikation und Laserphysik entdeckt - auch in anderen wissenschaftlichen und technikbezogenen Bereichen.“

Damit ist das Werk jedoch noch nicht vollbracht. Aufgrund des Ergebnisses dieses initialen Durchbruchs wurde Turitsyn ausgezeichnet mit Fördergeldern für eine nachfolgende Machbarkeitsstudie für die Kommerzialisierung und den Wissenstransfer der zentralen Technologie und Bauweise. Es lohnt sich also, das Projekt weiter zu verfolgen, um die Demonstration eines kommerziellen Prototyps mit verbesserten Parametern in der nahen Zukunft nicht zu verpassen.

Weitere Informationen finden Sie auf: CORDIS-Projektseite

Quelle: Gestützt auf ein Interview mit dem Projektkoordinator

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