Die flache Faser-Revolution: Ein Glasband wird zum hochempfindlichen Sensor

Optische Fasern gelten seit Langem als unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen, leicht und in rauen Umgebungen einsetzbar. Doch in einem entscheidenden Punkt hinkten sie elektronischen Sensoren hinterher: der rohen Empfindlichkeit. Ein neues Design von Forschenden des KTH Royal Institute of Technology in Stockholm und der University of Southampton durchbricht diese Grenze nun grundlegend.

Veröffentlicht in Nature Communications (doi: 10.1038/s41467-026-72416-6), stellen die Autoren eine High Aspect-Ratio Flat Fiber (HARFF) vor – eine bandartige, optische Siliziumdioxid-Faser, die als hochempfindlicher Mehrparametr-Sensor fungiert .

Druckempfindlichkeit: 1.000-mal höher als bei Standardfasern

Das auffälligste Ergebnis der Studie ist die Druckempfindlichkeit der HARFF. In Labordemonstrationen erwies sich die Faser als 1.000-mal empfindlicher als herkömmliche runde optische Fasern .

Wie kommt diese dramatische Verbesserung zustande? Die flache Geometrie erzeugt unter hydrostatischer Belastung eine um Größenordnungen höhere spannungsinduzierte Doppelbrechung als konventionelle runde Fasern – ein Befund, der durch Finite-Elemente-Modellierungen bestätigt wurde . Der rechteckige Querschnitt verhindert zudem von Natur aus das Knicken und Verdrillen, das bei runden Fasern unter mechanischer Belastung auftritt .

Eine völlig neue Art der Flachfaser-Fertigung

Statt eine runde Faser nach dem Ziehen abzuflachen – eine übliche, aber ungenaue Methode – entwickelte das Team ein eigens dafür konzipiertes Herstellungsverfahren. Sie stapelten Siliziumdioxidplatten zu einer flachen Vorform und versiegelten die Seiten mittels Laser-Glasverschweißung, um innere Mikrostrukturen wie Luftkanäle zu schaffen .

Diese Vorform wurde dann auf einem herkömmlichen Faserzieh-Turm mit kontrollierter Druckbeaufschlagung der Mikrostrukturen gezogen, um Form und Wandstärke zu erhalten . Abschließend wurden mit Femtosekunden-Laser-Schreiben (λ=515 nm, 200 fs Pulse) Faser-Bragg-Gitter und rechteckige Wellenleiter direkt in die flache Faser eingebracht .

Dieser vorformbasierte Ansatz bewahrt die innere Geometrie mit weitaus größerer Genauigkeit als das nachträgliche Abflachen und ermöglicht so die reproduzierbare Herstellung des Profils mit hohem Aspektverhältnis.

Über Druck hinaus: Temperaturmessung mit Zinnlegierung und mehr

Die HARFF-Plattform ist grundsätzlich mit der Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensorik für Dehnungs-, Temperatur- und Druckmessungen kompatibel . Das Team demonstrierte jedoch eine besonders clevere Verbesserung der Temperaturempfindlichkeit: Sie füllten einen Teil der inneren Mikrostruktur mit einem Zinn-basierten Metall (Sn-Legierung). Dieses Multimaterial-Design steigerte die Temperaturempfindlichkeit der Faser deutlich .

Zusammen machen die Druck- und Temperaturmessfähigkeiten die HARFF zu einem echten Mehrparametr-Sensor in einem einzigen, kompakten Glasband.

Wo wird diese Faser eingesetzt?

Da optische Fasern unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen, leicht und in rauen Umgebungen einsetzbar sind, bietet die HARFF-Plattform eine vielseitige Verbesserung gegenüber herkömmlichen runden Glasfasern und elektronischen Sensoren . Die Forscher nennen Anwendungsbereiche in sechs Feldern :

• Luft- und Raumfahrt: Eingebettet in Verbundwerkstoffe zur Messung innerer Spannungen und Drücke in Flugzeugen und Drohnen.
• Energiesysteme: Überwachung des strukturellen Zustands und der Umgebungsbedingungen in der Stromerzeugung und -verteilung.
• Infrastruktur: Kontinuierliche Dehnungs- und Drucküberwachung an Brücken, Gebäuden und Bauwerken.
• Medizintechnik: Kompakte, gegen elektromagnetische Störungen unempfindliche Sensoren für medizinische Instrumente.
• Batterieüberwachung: Erkennung von Druck- und Temperaturveränderungen im Inneren von Batteriezellen als Frühwarnzeichen für Fehlverhalten.
• Intelligente Drohnen: Leichte, gemultiplexte Sensorik für Strukturgesundheit und Flugdynamik.

Das Fazit

Die HARFF ist eine grundlegende Neudefinition dessen, was eine optische Faser sein kann. Indem die Forscher den runden Querschnitt aufgaben, der die Glasfaseroptik jahrzehntelang definierte, erreichten sie eine 1.000-fache Verbesserung der Druckempfindlichkeit und eine Mehrparametr-Fähigkeit – und das mit herkömmlichen Ziehtürmen und gut verstandenen Siliziumdioxid-Materialien. Das Ergebnis ist eine Sensorplattform, die für den realen Einsatz bereit ist – von Brücken bis hin zu Batterien.