Saphirbasierte Bragg-Gitter-Sensoren haben sich im Verlauf der letzten Jahre als vielversprechende Technologie für die Realisierung optischer Hochtemperatursensoren herauskristallisiert. Allerdings führen die gängigen Geometrien sowie der Aufbau von Saphir- Lichtwellenleitern zu suboptimalen Signalcharakteristiken. Dies gilt insbesondere in Bezug auf die spektrale Bandbreite der Bragg-Reflexion.
Ziel dieses Förderprojekts war dementsprechend die Geometrieoptimierung beziehungsweise Dickenreduzierung von Saphirfasern, um so eine drastische Reduktion der Reflexionsbandbreite zu erreichen. Des Weiteren beschäftigte sich das Projekt mit der Neuentwicklung alternativer Lichtwellenleiterkonzepte in planaren Saphirsubstraten.
Dickenreduzierte Saphirfaser (150 µm auf 20 µm). Außerdem ist ein exemplarisches Oberflächenprofil (Falschfarbendarstellung) einer per Ultrakurzpulslaser bearbeiteten Saphirfaser abgebildet. (Quelle: Technische Hochschule Aschaffenburg, Fakultät Ingenieurwissenschaften, Arbeitsgruppe Angewandte Lasertechnik und Photonik)
Rechts:
Photonischer Kristall-Lichtwellenleiter in planarem Saphirsubstrat. Außerdem zeigt die Abbildung das Reflexionssignal einer integrierten Bragg-Gitterstruktur sowie die Modenfeldverteilung des Singlemode-Lichtwellenleiters bei einer Wellenlänge von 1.550 nm. (Quelle: Technische Hochschule Aschaffenburg, Fakultät Ingenieurwissenschaften, Arbeitsgruppe Angewandte Lasertechnik und Photonik)
Mit Hilfe von neuartigen hybriden Ultrakurzpulslaser-Drehprozessen konnte erfolgreich der Saphirfaser-Außendurchmesser von 150 µm auf 50 µm beziehungsweise 25 µm reduziert werden. Außerdem können auch Saphirfasern mit Längen bis zu 20 cm auf einen Durchmesser von 90 µm reduziert werden, was einem Aspektverhältnis von 2.200 entspricht.
Alle prozessierten Halbzeuge weisen dabei eine herausragende Oberflächenrauheit von weniger als 300 nm auf. Weiterhin gelang die Integration von Kristall-Lichtwellenleitern in planare Saphirsubstrate und somit der weltweit erste Nachweis von saphirbasierten Singlemode-Lichtwellenleitern bei Wellenlängen um 1.550 nm. In Kombination mit Bragg-Gittern führt dieser Ansatz zu Reflexionssignalen mit herausragenden Sensorik-Eigenschaften. Zum Beispiel weisen diese photonischen Strukturen eine Reflexionsbandbreite von lediglich 130 pm auf. Im Vergleich zu herkömmlichen Saphirfaser-Bragg-Gitter-Sensoren entspricht dies einer Bandbreitenreduktion von bis zu Faktor 70.
