Gasoptica: licht dat door gas reist in plaats van door glas
Normaal gezien reist licht in een glasvezelkabel door massief glas: de lichtstraal kaatst steeds tegen de binnenkant van de glazen kern, net zoals een zaklamp-straal die binnen een spiegelende tunnel blijft hangen. Gasoptica werkt opvallend anders. Daarbij stuurt men licht door een piepklein buisje waarvan de kern niet uit glas bestaat, maar hol is en gevuld met een gas, zoals argon, krypton of waterstof. Het licht reist dus letterlijk door een gaswolkje, ingesloten door een wand van glas met een speciale microstructuur.
Dat lijkt een subtiel verschil, maar het heeft grote gevolgen. Omdat licht nu heel lang en heel geconcentreerd door een gas reist in plaats van door glas, kan het gas het licht op bijzondere manieren bewerken: van kleur veranderen, extreem kort samenknijpen in de tijd, of omzetten in golflengtes die met gewone technieken moeilijk te maken zijn, zoals ultraviolet licht. Het is een beetje te vergelijken met een reageerbuis die zo lang en dun is getrokken dat een piepklein beetje gas en licht elkaar urenlang kunnen 'ontmoeten' zonder dat er iets verloren gaat, waardoor zelfs zwakke effecten optellen tot iets bruikbaars.
Wat is het precies?
De basis van gasoptica is een zogeheten holle-kernvezel, ook wel fotonische-kristalvezel genoemd. Dit is een glasvezel met in het midden geen glazen kern, maar een hol kanaal, vaak niet dikker dan een haar. Rondom dat kanaal zit een wand met een heel fijn, herhalend patroon van luchtgaatjes of ringen. Dat patroon werkt als een soort optische spiegel: het weerkaatst licht van een bepaalde golflengte terug naar het midden, zodat het licht in de holle kern blijft en niet weglekt in het omringende glas.
Dit is wezenlijk anders dan gewone glasvezel, waar licht wordt vastgehouden door totale interne reflectie: het licht kaatst tegen de grens tussen twee soorten glas met een iets verschillende brekingsindex. In een holle-kernvezel is er geen glas in het midden om in te reizen; de opsluiting gebeurt puur door de microstructuur van de wand, een beetje zoals een galerij met spiegelende muren die geluid laat rondgaan zonder dat het geluid de muur zelf nodig heeft.
Een veelgebruikte variant van dit wandpatroon heet de kagome-vezel, genoemd naar een Japans vlechtpatroon dat erop lijkt. Kagome-vezels geleiden licht over een breed bereik van golflengtes en zijn relatief eenvoudig te vullen met een gas naar keuze.
Zodra de holle kern gevuld is met gas, kan men gebruikmaken van niet-lineaire optica: natuurkundige effecten waarbij licht de eigenschappen van een materiaal (hier: het gas) tijdelijk verandert, en het gas op zijn beurt het licht verandert. Voorbeelden zijn Raman-verstrooiing (het gas verschuift de kleur van het licht een beetje), vier-golf-mixing (twee lichtkleuren combineren tot nieuwe kleuren) en hoge-harmonische-opwekking (licht wordt omgezet in een veelvoud van zijn oorspronkelijke frequentie, richting ultraviolet). Deze effecten bestaan ook in gewone gascellen in de vrije ruimte, maar daar heb je vaak hoge laservermogens nodig omdat het licht maar kort met het gas in contact is. In een holle-kernvezel blijft het licht honderden meters lang geconcentreerd in een piepklein gasvolume, waardoor dezelfde effecten al bij veel lagere, praktischer te bereiken laservermogens optreden.
Wat wil men ermee bereiken?
Een belangrijk doel is het maken van compacte bronnen van ultraviolet (UV) en extreem-ultraviolet (XUV) licht. Dit soort kortgolvig licht is onder meer nodig om de allerkleinste structuren op computerchips te inspecteren. Momenteel wordt XUV-licht vaak gemaakt met grote, dure installaties of deeltjesversnellers; als je het binnen een gas-gevulde vezel op een labtafel kunt opwekken, wordt die technologie toegankelijker voor meer laboratoria en bedrijven.
Een tweede doel is gassensing: omdat licht in de vezel heel lang in contact blijft met het gas, kan men al heel kleine hoeveelheden van een stof in de lucht detecteren, wat nuttig is voor milieumetingen of veiligheidstoepassingen.
Een derde, heel ander doel is datacommunicatie. Licht reist iets sneller door lucht of een ijl gas dan door massief glas. Holle-kernvezel (soms zelfs zonder bewust toegevoegd gas, gewoon met lucht) kan daardoor data met iets minder vertraging (latency) versturen dan klassieke glasvezel, wat met name interessant is voor toepassingen waar elke microseconde telt, zoals financiële handel of grote datacenternetwerken.
Daarnaast hoopt men gas-gevulde vezels te gebruiken voor het veilig transporteren van krachtige laserpulsen in de industrie (snijden, lassen) en in de medische technologie, omdat een holle kern minder gevoelig is voor beschadiging door hoog vermogen dan massief glas. Ten slotte is er fundamenteel onderzoek naar het gebruik van deze vezels voor quantumlicht, bijvoorbeeld het genereren van verstrengelde fotonenparen voor quantumcommunicatie-experimenten.
Voorbeelden uit de praktijk
De eerste demonstratie van een vezel die licht via zo'n spiegelende microstructuur in een holle kern opsloot, kwam eind jaren negentig van de onderzoeksgroep rond natuurkundige Philip Russell, destijds verbonden aan de University of Bath in het Verenigd Koninkrijk. Dit wordt algemeen gezien als het startpunt van het vakgebied.
Begin jaren 2000 ontwikkelde de groep van onderzoeker Fetah Benabid, verbonden aan het XLIM-instituut in Limoges, Frankrijk, de kagome-vezel en liet zien dat je daarin relatief eenvoudig een gas kunt opsluiten voor niet-lineaire optica. Uit dat werk ontstond later de spin-offonderneming GLOphotonics, die gas-gevulde vezelmodules verkoopt aan laboratoria en industriële klanten voor toepassingen als pulscompressie en UV-opwekking.
In de jaren daarna, met name in de jaren 2010, toonden onderzoekers verbonden aan het Max Planck Institute for the Science of Light in Erlangen, Duitsland (waar Russell na Bath naartoe verhuisde) aan dat je extreem ultraviolet licht rechtstreeks binnen zo'n gas-gevulde holle vezel kunt opwekken, in plaats van in een los gascel-opstelling in de vrije ruimte. Dat maakte dit soort lichtbronnen compacter en efficiënter.
Een ander, meer toepassingsgericht voorbeeld komt uit de telecomwereld: het Britse bedrijf Lumenisity, een spin-off van de University of Southampton, ontwikkelde holle-kernvezel speciaal om data met minder vertraging te versturen. Microsoft nam dit bedrijf in 2022 over, met het doel de technologie te testen en mogelijk in te zetten in eigen datacenternetwerken.
Ten slotte bieden gevestigde vezelfabrikanten zoals NKT Photonics uit Denemarken inmiddels holle-kernvezels commercieel aan onderzoekslaboratoria aan, wat laat zien dat de technologie de stap van zuiver academisch onderzoek naar een (nog kleine) commerciële markt heeft gemaakt.
Hoe ver is de techniek?
Gasoptica is grotendeels nog een onderzoeks- en nichemarkt-technologie. In laboratoria wereldwijd wordt actief gewerkt aan nieuwe lichtbronnen en sensoren op basis van gas-gevulde vezels, en er zijn al kleine, gespecialiseerde bedrijven die producten verkopen voor laserpulslevering en UV-opwekking. De telecomtoepassing van holle-kernvezel is wat verder gevorderd richting de praktijk, met echte testtrajecten bij netwerkbeheerders, maar ook die staat nog niet aan het begin van brede, mainstream uitrol.
Er zijn stevige technische obstakels. Het verbinden (lassen) van een holle vezel met gewone, massieve glasvezel is lastiger dan het verbinden van twee gewone vezels, omdat de structuren zo anders zijn. Het gas moet daarnaast over de hele levensduur van de vezel luchtdicht opgesloten blijven, wat eisen stelt aan de afdichting op beide uiteinden. Productiekosten liggen hoger dan bij standaardvezel, en opschalen naar grootschalige, betrouwbare massaproductie is nog niet overtuigend bewezen. Kortom: dit is een relatief klein, specialistisch vakgebied binnen de optica, dat weinig media-aandacht krijgt maar wel gestaag vooruitgang boekt.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar gasoptica is sterk Europees gekleurd. Belangrijke spelers zijn het Max Planck Institute for the Science of Light in Erlangen, Duitsland, de University of Bath in het Verenigd Koninkrijk (waar het vakgebied ontstond), en Imperial College London, waar onderzoek wordt gedaan naar lichtbronnen in gas-gevulde vezels. In Frankrijk is het XLIM-instituut aan de Université de Limoges actief, met als commerciële spin-off GLOphotonics. In het Verenigd Koninkrijk speelde ook de University of Southampton een rol, via de voormalige spin-off Lumenisity, die inmiddels onderdeel is van Microsoft. Op de vezelmarkt is NKT Photonics uit Denemarken een relevante commerciële producent. Daarnaast lopen er ook onderzoeksprogramma's in de Verenigde Staten en China, vooral gericht op holle-kernvezel voor telecomtoepassingen.