Seit 50 Jahren übersehen: Magnetfelder beeinflussen Licht in Glasfasern
Forscher haben einen seit Jahrzehnten übersehenen Effekt entdeckt, mit dem sich Licht in Glasfasern durch seitlich angelegte Magnetfelder beeinflussen lässt. Das eröffnet eine Vielzahl an Möglichkeiten für Sensorik und Datenverarbeitung.
Glasfasern übertragen Lichtsignale über große Entfernungen und dienen inzwischen auch als Sensoren. Dabei kommt unter anderem der Faraday-Effekt zum Einsatz: Ein Magnetfeld entlang einer Faser verändert die Polarisation des Lichts geringfügig. Aus dieser Drehung lässt sich die Stärke des Magnetfelds und damit beispielsweise der Strom in einer Leitung bestimmen. Ein quer zur Faser verlaufendes Magnetfeld sollte dagegen nach bisherigen Annahmen keinen entsprechenden Effekt erzeugen.
Die Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass auch ein seitliches Magnetfeld das Licht in einer sogenannten Multimode-Faser beeinflusst. Diese Glasfasern transportieren Licht auf zahlreichen unterschiedlichen Wegen gleichzeitig. Am Ausgang überlagern sich die Lichtwellen zu einem charakteristischen Muster aus hellen und dunklen Punkten, das als Speckle-Muster bezeichnet wird.
Die Forscher beobachteten dieses Muster mit einer Kamera, während sie starke Magnete neben einer unbewegten Glasfaser positionierten. Dabei veränderte sich die Lichtverteilung deutlich. Bei einem Magnetfeld von 0,24 Tesla war das ursprüngliche Muster nur noch zu rund 84 Prozent wiedererkennbar.
Für praktische Anwendungen könnte die Entdeckung von Bedeutung sein, weil entsprechende Sensoren nicht wie bisher um stromführende Kabel gelegt werden müssten, sondern beispielsweise parallel dazu verlaufen könnten. Wie empfindlich solche Sensoren bei den wesentlich schwächeren Magnetfeldern gewöhnlicher Stromleitungen arbeiten, ist allerdings noch offen. Darüber hinaus sehen die Forscher Potenzial für die optische Datenverarbeitung. Eine gezielte Veränderung von Lichtmustern in Glasfasern könnte helfen, Rechenoperationen direkt mit Licht auszuführen.
Siehe auch:
- Forscher aus Johannesburg wiesen den transversalen Faraday-Effekt nach
- Laut bisherigen Annahmen sollte ein Quer-Magnetfeld keinen Effekt erzeugen
- Bei 0,24 Tesla veränderte sich das Lichtmuster in einer Multimode-Faser
- Ursache ist ein bislang vernachlässigter Anteil des elektrischen Feldes
- Sensoren könnten künftig parallel zu stromführenden Kabeln verlaufen
- Die Empfindlichkeit bei schwachen Feldern normaler Leitungen ist noch offen
Quer zum Licht
Entdeckt wurde der sogenannte transversale Faraday-Effekt von Mohammed Raiyan Sharif und Mitchell Cox von der University of the Witwatersrand in Johannesburg. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Optics Letters. Daraus geht hervor, dass die Sache auf einer Vereinfachung beruht, die in der Glasfasertechnik seit mehr als 50 Jahren verwendet wird.Glasfasern übertragen Lichtsignale über große Entfernungen und dienen inzwischen auch als Sensoren. Dabei kommt unter anderem der Faraday-Effekt zum Einsatz: Ein Magnetfeld entlang einer Faser verändert die Polarisation des Lichts geringfügig. Aus dieser Drehung lässt sich die Stärke des Magnetfelds und damit beispielsweise der Strom in einer Leitung bestimmen. Ein quer zur Faser verlaufendes Magnetfeld sollte dagegen nach bisherigen Annahmen keinen entsprechenden Effekt erzeugen.
Die Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass auch ein seitliches Magnetfeld das Licht in einer sogenannten Multimode-Faser beeinflusst. Diese Glasfasern transportieren Licht auf zahlreichen unterschiedlichen Wegen gleichzeitig. Am Ausgang überlagern sich die Lichtwellen zu einem charakteristischen Muster aus hellen und dunklen Punkten, das als Speckle-Muster bezeichnet wird.
Die Forscher beobachteten dieses Muster mit einer Kamera, während sie starke Magnete neben einer unbewegten Glasfaser positionierten. Dabei veränderte sich die Lichtverteilung deutlich. Bei einem Magnetfeld von 0,24 Tesla war das ursprüngliche Muster nur noch zu rund 84 Prozent wiedererkennbar.
Einfachere Sensoren denkbar
Die Erklärung fanden Sharif und Cox in einer verbreiteten Näherung für die Beschreibung von Licht in Glasfasern. Diese vernachlässigt einen sehr kleinen Anteil des elektrischen Feldes, der entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts schwingt. Gerade dieser Anteil ermöglicht jedoch die Wechselwirkung mit einem seitlichen Magnetfeld.Für praktische Anwendungen könnte die Entdeckung von Bedeutung sein, weil entsprechende Sensoren nicht wie bisher um stromführende Kabel gelegt werden müssten, sondern beispielsweise parallel dazu verlaufen könnten. Wie empfindlich solche Sensoren bei den wesentlich schwächeren Magnetfeldern gewöhnlicher Stromleitungen arbeiten, ist allerdings noch offen. Darüber hinaus sehen die Forscher Potenzial für die optische Datenverarbeitung. Eine gezielte Veränderung von Lichtmustern in Glasfasern könnte helfen, Rechenoperationen direkt mit Licht auszuführen.
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Christian KahleRedakteur für Forschung, Energie und Raumfahrt
Begleitet die IT-Branche seit dem Dotcom-Boom, Informatik studierte er in Berlin. Sein Spektrum reicht von Quantencomputern über Solarstrom bis zur Raumfahrt.
