Nationale Verteidigungswissenschaft Popularisierungsgasstation (36) Superkontinuumlaser: Eine außergewöhnliche neue Lichtquelle

Im Bereich der Optik zeichnet sich ein Laser durch hohe Helligkeit, gute Monochromasie und gute Richtwirkung aus. Es ist bekannt als „das hellste Licht, das schnellste Messer und das genaueste Lineal“. Seine breite Anwendung hat eine Reihe bahnbrechender Innovationen und Entwicklungen hervorgebracht und den wissenschaftlichen Fortschritt sowie die wirtschaftliche und soziale Entwicklung der Menschheit gefördert.

Man kann sagen, dass „der Schüler den Meister übertrifft“. Im Jahr 1970, 10 Jahre nach der Geburt des Lasers, entstand eine neue Laserlichtquelle – der „Superkontinuumlaser“. Dieses neue Mitglied der Laserfamilie unterscheidet sich vom allgemeinen monochromatischen (schmalbandigen) gewöhnlichen Laser. Es handelt sich um einen Mehrfarbenlaser mit extrem breitem Spektrum. Seine spektrale Breite beträgt mehr als 100 Nanometer und kann 5000 Nanometer oder sogar mehr als 10000 Nanometer erreichen. Dieser Superkontinuum-Laser verfügt nicht nur über alle Eigenschaften eines Lasers, sondern auch über Lichtquelleneigenschaften wie einen breiten Spektralbereich und eine gute räumliche Kohärenz. Daher verfügt es über ein breiteres Anwendungsspektrum und ein erstaunliches Entwicklungspotenzial.

Entstanden aus dem Laser, gewachsen im „fruchtbaren Boden“ der Glasfaser

Interessanterweise „verstößt“ die Geburt des Superkontinuumlasers tatsächlich gegen den gesunden Menschenverstand und die Gesetze der linearen Optik. Denn die Besonderheit des Superkontinuumlasers besteht darin, dass er einen ebenso breiten Spektralbereich wie gewöhnliches weißes Licht hat. Obwohl in der Theorie der traditionellen linearen Optik weißes Licht in monochromatisches Licht verschiedener Farben zerlegt werden kann, kann ein Strahl monochromatischen Lichts nicht direkt in weißes Licht umgewandelt werden, d. h., es kann keine Superkontinuum-Lichtquelle (breites Spektrum) erhalten werden.

Es ist kaum zu glauben, aber im Jahr 1970 injizierten die amerikanischen Wissenschaftler Arano und Shapiro einen quasi-monochromatischen grünen Pikosekunden-Pulslaser in ein festes nichtlineares Medium (ein spezielles optisches Glas) und erzielten unerwartet eine weiße Lichtleistung von 400 bis 700 Nanometern. Das monochromatische grüne Licht verwandelte sich in zusammengesetztes weißes Licht mit einem breiten und kontinuierlichen Spektrum. Diese zufällige wissenschaftliche Entdeckung schockierte schnell die optische Welt. Von da an war eine neue Art von Lichtquelle geboren: der Superkontinuumslaser!

Diese wissenschaftliche Entdeckung scheint zufällig zu sein, entspricht jedoch tatsächlich den unvermeidlichen Gesetzen der Wissenschaft. Der Mechanismus hinter der Entstehung des Superkontinuums ist die nichtlineare Wechselwirkung zwischen starkem Laser und Medium. Das heißt, wenn sich ein oder mehrere quasi-monochromatische starke Laser-„Seeds“ im „Boden“ des Mediums (wie Glas, Gas usw.) ausbreiten, ist die elektrische Feldstärke der Lichtwelle ausreichend, um mit dem elektrischen Feld innerhalb der Atome des Mediums vergleichbar zu sein. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt die Wechselwirkung zwischen dem „Samen“-Licht und dem Medium „Boden“ einen „nichtlinearen Effekt“. Dieser Effekt führt dazu, dass sich das Spektrum des ursprünglich monochromatischen Lasers wie bei einer „Genmutation“ in den Kurz- und Langwellenbereich erweitert. Die neu erzeugten Spektralkomponenten dienen als neues Pumplicht und breiten sich kontinuierlich nach beiden Seiten aus. Letztendlich dehnt sich ein schmalbandiges Spektrum zu einem ultrabreiten kontinuierlichen Spektrum aus, nämlich einem Superkontinuum.

Der „Boden“ für die Herstellung von Superkontinuumlasern war in der Anfangszeit nicht ideal. Es konzentrierte sich hauptsächlich auf herkömmliche nichtlineare Medien wie Feststoffe, Gase und Flüssigkeiten. Es waren nicht nur Laser-Seeds mit extrem hoher Spitzenleistung erforderlich, sondern es kam auch zu großen Übertragungsverlusten und einer schlechten Strahlqualität, sodass die Anforderungen der Anwendung nur schwer erfüllt werden konnten.

In den 1980er Jahren bot die Entwicklung und Anwendung verlustarmer Glasfasern einen hervorragenden „fruchtbaren Boden“ für die Erzeugung und Übertragung von Superkontinuum-Lasern. Optische Fasern können Laserlicht in einem mikrometergroßen Faserkern einschließen und so den nichtlinearen Effekt der Wechselwirkung zwischen Laserlicht und Medium verstärken. Gleichzeitig kann dadurch auch die Übertragungsdistanz erhöht und die Qualität des Ausgangsstrahls verbessert werden.

Im Jahr 1996 entwickelten Forscher der Universität Southampton in Großbritannien eine photonische Kristallfaser, die sich sehr gut für die Erzeugung eines Superkontinuums eignet. Es weist die Eigenschaften eines höheren nichtlinearen Koeffizienten und einer flexibleren und anpassbareren Dispersion auf und ist von entscheidender Bedeutung für die Untersuchung von Superkontinua. Seitdem haben sich die Forschung und Anwendung von Superkontinuum-Lasern rasant entwickelt.

Heutzutage können Superkontinuumsspektren nicht nur in einer zunehmenden Zahl neuer optischer Fasern wie Weichglasfasern und konischen Glasfasern erzeugt werden, Wissenschaftler haben auch den „Boden“ für die Superkontinuumserzeugung auf siliziumbasierte Wellenleiter wie Siliziumnitrid reduziert und sie so auf dem Chip mit vorhandenen komplementären Metalloxidhalbleitern (CMOS-Bauelementen) kompatibel gemacht, was die Anwendung der siliziumbasierten Photonik voraussichtlich erweitern wird.

Hervorragende Leistung, All-in-One-Vorteil

Als der Superkontinuumlaser geboren war, überraschte er die gesamte optische Welt mit seinen einzigartigen Lichtquelleneigenschaften. Es zeichnet sich nicht nur durch eine hohe Laserhelligkeit, starke Kohärenz und gute Richtwirkung aus, sondern bietet auch eine Breitbandleistung, die dem Sonnenlicht ähnelt.

Das Licht ist brillant und farbenfroh. Superkontinuumlaser werden oft bildlich als Weißlichtlaser bezeichnet, doch die Wellenlängen, die sie abdecken, sind weitaus größer als bei weißem Licht im sichtbaren Lichtband. Sie haben sich vom frühesten sichtbaren Lichtband auf die Bänder des Ultraviolett-, Nahinfrarot-, Mittelinfrarot- und Ferninfrarotbereichs ausgeweitet. Auch Superkontinuumlaser in unterschiedlichen Bändern haben ihre eigenen Stärken in der Anwendung. Man kann sagen, dass Superkontinuumlaser eine Art mehrfarbiges Licht sind, das bunter ist als weißes Licht.

Der Spektralbereich ist breit und die Helligkeit hoch. Verglichen mit den schmalen Spektrumeigenschaften gewöhnlicher Laser ist das Spektrum eines Superkontinuum-Lasers extrem breit und erweitert sich kontinuierlich. Die Breite beträgt üblicherweise mehr als 100 Nanometer und kann mehr als 10.000 Nanometer erreichen. Dieser Breitbandvorteil kann viele Bänder abdecken. Berechnungen haben ergeben, dass am Beispiel einer herkömmlichen Femtosekunden-Superkontinuum-Lichtquelle mit einer Spitzenleistung im Gigawattbereich und einer Zeitbereichswiederholungsrate im Kilohertzbereich die pro Flächeneinheit abgestrahlte Laserleistung mehr als das 700-fache der Leistungsdichte der Sonnenstrahlung beträgt. Daraus wird die hohe Helligkeit des Superkontinuumlasers deutlich.

Der Zeitbereich ist flexibel und steuerbar. Zu den Pumpoptionen für Superkontinuumlaser gehören Dauerstrichlaser, Nanosekundenlaser, Pikosekundenlaser, Femtosekundenlaser usw., sodass je nach Anwendungsanforderungen Pumpquellen mit unterschiedlichen Wiederholungsfrequenzen und Impulsbreiten ausgewählt werden können. Beispielsweise wird in der Glasfaserkommunikation eine Superkontinuum-Lichtquelle mit einer hohen Wiederholungsrate benötigt, und in der optischen Kohärenztomographie-Technologie wird im Allgemeinen eine Superkontinuum-Lichtquelle mit einer Pulsbreite von Femtosekunden verwendet. Gleichzeitig ist es durch die umfassende Anpassung der Zeitbereichsparameter auch möglich, maßgeschneiderte Superkontinuumsspektren mit spezifischen Formen und spezifischen spektralen Breiten zu erzielen.

Erstaunliches Anwendungspotenzial, das die militärische Transformation vorantreibt

Der Laser, eine bedeutende Erfindung des 20. Jahrhunderts, hat seit seiner Entstehung der gesamten Menschheit Licht gegeben. Superkontinuumlaser weisen eine bessere Leistung als herkömmliche Laser auf und bieten breitere Anwendungsmöglichkeiten. Im biomedizinischen Bereich kann die auf Superkontinuum-Lichtquellen basierende optische Kohärenztomographie-Technologie eine dreidimensionale Bildgebung und klinische Diagnose von lebendem Gewebe wie der Netzhaut und den Koronararterien ermöglichen. Im Bereich der Lebensmittelsicherheit können durch die Verwendung von Superkontinuum-Lichtquellen zur Bestrahlung der getesteten Proben die Absorptions- und Transmissionsspektren der Proben in kurzer Zeit erfasst und so eine schnelle Lebensmittelprüfung ermöglicht werden. Im Bereich der Kommunikation können Superkontinuum-Lichtquellen als „Transport-Supermänner“ fungieren und werden in Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssystemen eingesetzt, was im heutigen Informationszeitalter zu einem zeitgemäßen Trend wird. Im Bereich der Bildgebung beleuchten Superkontinuum-Lichtquellen Objekte, die so groß wie Organe und so klein wie Moleküle sind, und helfen dem Menschen, die Welt klarer zu erkunden.

Im militärischen Bereich wurden Superkontinuum-Lichtquellen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften von den USA, Russland, Frankreich und anderen Ländern in der optoelektronischen Konfrontation, der Wahrnehmung auf dem Schlachtfeld, der militärischen Kommunikation und anderen Bereichen entwickelt und eingesetzt. Man geht davon aus, dass sie transformative und weitreichende Auswirkungen haben werden.

Die Photoelektrizität ist der Konfrontation einen Schritt voraus. Derzeit ist die aktive Infrarot-Gegenmaßnahmemethode, bei der hochhelle Infrarotlaser zum Einsatz kommen, um feindliche optoelektronische Geräte zu unterdrücken und zu zerstören, ein wichtiges Mittel zur Gewährleistung der Sicherheit von Luftfahrzeugen. Im Vergleich zu optischen parametrischen Oszillatoren und Quantenkaskadenlasern, die eine einzige Ausgangswellenlänge haben und schwer abzustimmen sind, haben Superkontinuum-Laserlichtquellen die inhärenten Vorteile einer guten räumlichen Kohärenz und eines breiten Spektralbereichs und können nicht durch Methoden wie Schmalbandfilterung und optische Fallen geschützt werden. Insbesondere kann die Superkontinuum-Lichtquelle im mittleren Infrarotbereich (2500–5000 Nanometer) das typische Betriebsband gängiger Infrarot-Wärmesucher abdecken und so die Präzisionswaffen des Feindes wirksam stören, sättigen und blenden. Berichten zufolge hat das US-Militär ein System zur gerichteten Infrarot-Gegenmaßnahme (Directional Infrared Countermeasure, DIRCM) installiert. Dieses System umfasst eine Superkontinuum-Lichtquelle im mittleren Infrarotbereich an der Unterseite großer Flugzeuge und Hubschrauber und ist mit einem rotierenden Arm ausgestattet, um verdächtige Ziele in der Umgebung des Flugzeugs abzusuchen. Dadurch wird der Sucher der infrarotgelenkten Rakete gestört, was letztendlich dazu führt, dass diese von ihrer festen Flugbahn abweicht und das Ziel verlässt.

Die Wahrnehmung des Schlachtfelds wird genauer. Die Breitbandeigenschaften des Superkontinuumspektrums können die Absorptionsspitzen gängiger Gase (wie Kohlendioxid, Methan, Ammoniak usw.) abdecken und so eine synchrone, Echtzeit- und Fernüberwachung mehrerer Gase ermöglichen. Gleichzeitig ermöglicht die räumliche Kohärenz der Superkontinuum-Lichtquelle eine sehr lange Wechselwirkungslänge mit dem Gasgemisch, wodurch die Nachweisempfindlichkeit erheblich verbessert und der Nachweis extrem geringer Gasmoleküle ermöglicht werden kann. Auch die Technische Universität Ilmenau in Deutschland verwendet einen Superkontinuum-Laser, der mit einem optischen Kurzpassfilter gekoppelt ist, um die Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder atmosphärischer Turbulenzen gleichzeitig mit einer höheren räumlichen Auflösung zu messen, was voraussichtlich bei Wettervorhersagen hilfreich sein wird. Darüber hinaus wurde die aktive Hyperspektralbildgebungstechnologie unter Verwendung eines Superkontinuumlasers als Beleuchtungsquelle für verschiedene Detektionsaufgaben in Industrieländern wie den Vereinigten Staaten eingesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichem Bildbeleuchtungslicht kann der Breitband-Superkontinuumlaser Ziele auf extrem große Entfernungen kontinuierlich und aktiv beleuchten, was bei der Identifizierung getarnter Ziele hilfreicher ist, die Zielerkennungsgenauigkeit verbessert und die feindliche Verteidigung schwieriger macht. Kurz gesagt: Zukünftige Superkontinuum-Lichtquellen werden neue Lösungen und technische Mittel für Truppenoperationen bieten, sei es bei der Aufklärung der Gefechtsumgebung oder bei der meteorologischen Unterstützung in Echtzeit.

Große Datenmengen werden schneller übertragen. Durch das Aufteilen der Superkontinuum-Lichtquelle mittels spektraler Filtertechnologie ist es theoretisch möglich, eine beliebige Anzahl von Wellenlängenmultiplex-Lichtquellen zu erhalten. Diese kohärente Impulslichtquelle mit hoher Wiederholungsrate und mehreren Wellenlängen ist eine Schlüsseltechnologie für die Realisierung optischer Hochgeschwindigkeitskommunikationssysteme mit großer Kapazität. Japan ist es gelungen, mithilfe von Superkontinuum-Lichtquellen 1064 Kanäle mit Mehrwellenlängen-Lichtquellen zu erzeugen und so eine Hochgeschwindigkeits-Glasfaserkommunikation mit 2,7 Terabit pro Sekunde zu erreichen (1 Terabit entspricht 10244 Bit). Eine Superkontinuum-Lichtquelle kann Tausende herkömmlicher Laserlichtquellen ersetzen und so schnelle und kompakte technische Unterstützung für informationsbasierte gemeinsame Operationen bieten, bei denen große Datenmengen übertragen werden müssen. Auf dem Gebiet der Freiraumkommunikation hat ein Forschungsteam gezeigt, dass durch die Verwendung einer Superkontinuum-Lichtquelle als teilweise kohärenter Hochgeschwindigkeitsträger das durch atmosphärische Turbulenzen verursachte Lichtintensitätsflimmern wirksam unterdrückt und eine Kommunikationsrate von 16 Gigabit pro Sekunde erreicht werden kann (1 Gigabit entspricht 10243 Bit). Wenn die Weltraumkommunikationstechnologie auf der Grundlage von Superkontinuum-Lichtquellen künftig als Lösung für die Notfallkommunikation auf dem Schlachtfeld eingesetzt wird, wird sie bei Notfällen, lokalen Kriegen und anderen Situationen praktischer sein.

Mit dem Fortschritt der Technologie und der Verbesserung des Prozessniveaus werden sich Superkontinuumlaser in Zukunft in Richtung höherer Durchschnittsleistung, größerer spektraler Breite und besserer Strahlqualität entwickeln. Diese außergewöhnliche neue Lichtquelle wird mit Sicherheit eine enorme Rolle bei der Förderung von Innovationen spielen und noch mehr unvorstellbare Erfolge erzielen.

(Autor: Wang Wuwen, Zhu Xiran Quelle: National University of Defense Technology Science Popularization China Co-Construction Base)