Eine neue Multikernfaser mit nanogedrucktem Hologramm steuert den Fokus von Licht präzise – ohne bewegliche Teile

Ein grüner Lichtpunkt bewegt sich – und nichts Mechanisches verändert sich. Keine Linse verschiebt sich, kein Spiegel kippt. Die Bewegung entsteht allein durch Licht, gelenkt von einer winzigen Struktur an der Spitze einer Glasfaser. Forschende am Leibniz-IPHT haben eine Faser entwickelt, deren Fokus sich rein optisch verändern lässt. Möglich wird dies durch eine nanogedruckte holografische Struktur auf der Spitze einer Multikernfaser.

„Wir zeigen erstmals, dass sich die Fokuseigenschaften von Licht allein durch die Anregung einzelner Fasermodi steuern lassen“, erklärt Mohammad-Hossein Khosravi, Erstautor der Studie, die 2025 in Nature Communications erschien. Auf die Endfläche einer Faser mit 37 einzeln ansteuerbaren Lichtkanälen druckten die Forschenden ein winziges, holografisches Phasenelement. Dieses Hologramm verändert die Phase des austretenden Lichts so, dass jeder Kanal einen eigenen Fokuspunkt im Raum erzeugt. Durch gezieltes Einspeisen von Licht in verschiedene Kerne lässt sich der Fokus frei positionieren: eine Fernfokussierung ganz ohne bewegliche Optik.

Multikernfaser für holografische Anwendungen

Die Faser stammt aus dem Kompetenzzentrum für Spezialfaseroptik (KSF) am Leibniz-IPHT. Erstmals weltweit kombinierten Forschende eine hochdichte Multikernfaser mit identischen, vollständig entkoppelten Kernen für sichtbares Licht mit einem nanogedruckten Hologramm auf der Faserspitze. „Jeder Kern führt sein eigenes Lichtsignal, ohne dass sich die Kanäle gegenseitig beeinflussen“, erklärt Adrian Lorenz vom KSF. „Nur so lässt sich das holografische Muster präzise ansteuern.“

Die Multikernfaser enthält 37 gleichartige Lichtkanäle, angeordnet in einer kompakten, hexagonalen Struktur. Das Team um Adrian Lorenz fertigte sie im KSF in einem Stack-and-Draw-Verfahren, so exakt, dass sich die einzelnen Kerne optisch nicht beeinflussen. Diese Genauigkeit bildet die Grundlage für die holografische Steuerung des Lichts auf der Faserspitze.

Ein neues Werkzeug aus Fasertechnologie und ­Nanophotonik

Das Hologramm wurde mithilfe eines computationalen Optimierungsverfahrens berechnet, das auf einer erweiterten Version des Gerchberg–Saxton-Algorithmus basiert. So entsteht ein phase-only hologram, das die Lichtverteilung gezielt formt und den Fokus elektronisch „wandern“ lässt. „Wir können mit dieser Struktur praktisch rechnen – aber nicht mit Elektronen, sondern mit Licht“, sagt Markus Schmidt. „Damit wird die Faserspitze selbst zu einer programmierbaren optischen Oberfläche.“

„Diese Arbeit zeigt, wie sich photonisches Design und Fasertechnologie zu einer neuen, integrierten Plattform verbinden lassen“, so Schmidt weiter. „Die Faserspitze leitet nicht nur Licht, sondern wird zu einem aktiven optischen Bauelement.“

Von Kommunikation bis Chirurgie

Der Fokus lässt sich innerhalb von Millisekunden verlagern, ganz ohne mechanische Bewegung. Die Steuerung erfolgt ausschließlich durch die Lichtverteilung am Eingang der Faser, die auch bei leichter Biegung stabil bleibt.

In der Biophotonik könnten solche Fasern künftig für optische Manipulationen in lebenden Zellen genutzt werden oder in der Laserchirurgie Licht gezielt in Gewebe lenken. In der Mikrobearbeitung ließen sich Laserstrahlen auf wenige Mikrometer genau steuern oder in der Telekommunikation Datenstrahlen präzise bündeln.

„Diese Arbeit ist für uns eine Schlüsselstudie“, betont Markus Schmidt. „Sie zeigt, wie Nanophotonik und Fasertechnologie zusammenwachsen und wie aus Glasfasern aktive, steuerbare optische Werkzeuge werden.“

Original-Publikation: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55805-7