Glasgefüllte photonische Kristallfasern - Relaxations- und Erstarrungsverhalten anorganischer Schmelzen in engen Kapillaren
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand des Projektes war die druckunterstützte Infiltration anorganischer Schmelzen in dünne Kieselglaskapillaren, mit deren Hilfe zunächst der Einfluss der Kapillargeometrie auf das Fließverhalten sowie daraus resultierende Eigenschaften des späteren, erstarrten Glases grundlegend untersucht werden konnte („PAMF-Methode“). Im Weiteren wurde die so entwickelte Synthesemethode für die Darstellung hybrider optischer Fasern aus herkömmlich inkompatiblen Glaspaarungen ermöglicht und entsprechende optische Bauelemente charakterisiert. Die PAMF-Methode bietet eine einzigartige Möglichkeit zur Herstellung hybrider Wellenleiter, mit deren Hilfe unterschiedliche Gläser in einem einzigen System kombiniert werden können. Dabei ist die druckunterstützte Befüllung von Mikrokapillaren bis in den Radiusbereich von ca. ~ 100 nm reproduzierbar und in qualitativ hochwertigen Strukturen bis zu einer Länge von > 10 cm möglich. Materialseitig bildet das Auftreten von Diffusions- und Korrosionsreaktionen die größte Limitierung. Für die betrachteten Kieselgläser als Trägermaterialien (Kapillaren) zeigen sich einerseits besonders solche Glaspartner als bevorzugt, die Kieselglas nicht benetzen (Chalkogenidgläser), andererseits zudem solche, die bei Temperaturen unterhalb von ca. 600 °C befüllt werden können. Letztere sind vor allem tiefschmelzende Phosphat- und Telluritgläser. Die PAMF-Methode ermöglicht zunächst die Untersuchung der Fließeigenschaften des Füllmaterials bis zu einem Kapillarradius von ca. 100 nm und – bei Verwendung von Kieselglas als Kapillarmaterial – bis zu einer Temperatur von 1150 °C. Dies ermöglicht hochwertige Viskositätsmessungen an unterschiedlichsten Flüssigkeiten (v.a. homogene Schmelzen und kolloidale Suspensionen) bis in einen Viskositätsbereich von ca. 102 Pa.s. Zumindest bis in den untersuchten Radiusbereich bleiben dabei klassische strömungsmechanische Modelle prinzipiell anwendbar. Skaleneffekte treten zunächst nicht auf, jedoch können Wechselwirkungen zwischen Füllmedium und Kapillarwand sowie druckabhängiges und nicht-newtonsches Fließen beobachtet werden. Letzteres kann zur Erzeugung anisotroper Glaseigenschaften nach dem Befüllen ausgenutzt werden. Inwieweit die strukturelle Anisotropie für spezielle optische Funktionalitäten nutzbar sind, ist zukünftig zu zeigen. Mittlerweile wurde die PAMF-Methode von einer Reihe von Gruppe international aufgegriffen und wird insbesondere für die Herstellung hybrider Chalkogenid- und Phosphatglaswellenleiter verwendet. Großer Bedarf besteht weiter insbesondere in der Anwendung auf weitere Glastypen, z.B. auch auf optisch aktive (Seltenerden- oder Übergangsmetall-)dotierte Gläser, edelmetallhaltige Gläser sowie nicht-silikatische Schwermetallgläser(z.B. Antimonate u.a.). Eine Verbreiterung der möglichen Materialvielfalt könnte dann auf neue funktionale Wellenleiter, z.B. auch auf solche, die mehr als zwei Glastypen oder zusätzliche metallische Strukturen kombinieren übertragen werden. Nach der grundsätzlichen Machbarkeitsdemonstration (einschließlich der Beschreibung von materialchemischen Wechselwirkungen, Füllparametern etc.) sollten Fragen der Füllqualität, Material- und Interfacereinheit, Reproduzierbarkeit und Spannungsfreiheit im Vordergrund stehen. Hinsichtlich zukünftiger photonischer Anwendungen ergeben insbesondere die Chalkogenidbezogenen Resultate Anlass, den Ansatz „Chalkogenid in Quarzglas“ hinsichtlich SKG weiterzuverfolgen. Insbesondere die Verwendung von Quarzglas als Mantelmaterial macht eine Integration in Fasernetzwerke realistisch, um perspektivisch monolithische kohärente Lichtquellen zu realisieren. Zukünftige Weiterentwicklungen führen in Richtung neuer Glas- und hier insbesondere neuer Mantelmaterialien, um weiter ins mittlere Infrarote vorzudringen. Auch die Integration von mit Seltenen Erden dotierten Chalkogenidgläsern für Anwendung im Laserbereich können Bestandteil weiterer Forschung sein. Des Weiteren können Hochindex- Kontrast Bandlückenstrukturen grundsätzlich für die integrierte Polarisationskontrolle oder für die Untersuchung von nichtlinearer Lichtgeneration in Bandlückenfasern eingesetzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- All-solid bandgap guiding in tellurite-filled silica photonic crystal fibers. Opt. Lett. 34, 1946 (2009)
M. A. Schmidt, N. Granzow, N. Da, M. Peng, L. Wondraczek, and P. St.J. Russell
- High index-contrast all-solid photonic crystal fibers by pressure-assisted melt infiltration of silica matrices. J. Non-Cryst. Solids 356, 1829-1836 (2010)
N. Da, L. Wondraczek, M. Schmidt, N. Granzow, P. St. J. Russell
- Bandgap guidance in hybrid chalcogenide-silica photonic crystal fibers. Opt. Letters 36, 2432-2434 (2011). Highlighted in Nature Photonics 5, 463 (2011)
N. Granzow, P. Uebel, M. A. Schmidt, A. S. Tverjanovich, L. Wondraczek, P. St. J. Russell
- Complex Faraday rotation in microstructured magnetooptical fiber waveguides. Adv. Mater. 23, 2681-2688 (2011)
M. A. Schmidt, L. Wondraczek, H. W. Lee, N. Granzow, N. Da, P. St. J. Russell
- Interfacial reactions between tellurite melts and silica during the production of microstructured optical devices. J. Non-Cryst. Solids 357, 1558-1563 (2011)
N. Da, A. A. Enany, N. Granzow, M. A. Schmidt, P. St. J. Russell, L. Wondraczek
- Supercontinuum generation in chalcogenide-silica step index fibers. Opt. Express 19, 21003-21010 (2011)
N. Granzow, S. Stark, M. A. Schmidt, A. S. Tverjanovich, L. Wondraczek, P. St.J. Russell
- Mid-infrared supercontinuum generation in As2S3-silica "nano-spike" step-index waveguide. Opt. Express 21, 10969-10977 (2013)
N. Granzow, M. A. Schmidt, W. Chang, L. Wang, Q. Coulombier, J. Troles, P. Toupin, I. Hartl, K. F. Lee, M. E. Fermann, L. Wondraczek, P. St.J. Russell
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.21.010969) - Non-Newtonian flow of an ultralow-melting chalcogenide liquid in strongly confined geometry. Appl. Phys. Lett. 106, 201908 (2015)
S. Wang, C. Jain, L. Wondraczek, K. Wondraczek, J. Kobelke, J. Troles, C. Caillaud, M. A. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4921708) - Micron-sized gold-nickel alloy wire integrated silica optical fibers. Opt. Mater. Exp. 6, 1790 (2016)
C. Jain, A. Tuniz, K. Reuther, T. Wieduwilt, M. Rettenmayr, M. A. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OME.6.001790) - Silver metaphosphate glass wires inside silica fibers – a new approach for hybrid optical fibers. Opt. Exp. 24, 3258 (2016)
C. Jain, B. P. Rodrigues, T. Wieduwilt, J. Kobelke, L. Wondraczek, M. A. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.24.003258)
