Sicherheitsfasern für starke Laser

Hochenergie-Laser, die sich mit Hilfe dünner Lichtleitfasern durch den Körper schlängeln, können bestimmte Tumorarten schnell und präzise zerstören -- beispielsweise, wenn sie die Speiseröhre, die Eingeweide oder die Bronchien befallen haben. Allerdings besteht bei dieser Methode immer ein Risiko: Sollte die Faser Risse bekommen, kann das Laserlicht entweichen und auch gesundes Gewebe zerstören.

MIT-Forscher Yoel Fink, Associate-Professor für Materialwissenschaften, hat nun eine Lichtleitfaser entwickelt, die Temperatursensoren enthält. Ihre eingewebten Leiterbahnen können ermitteln, ob es während des Laser-Einsatzes zu Defekten kommt. Ist dem so, kann das Gerät schnell genug abgeschaltet werden, ohne dass es zu Zerstörungen kommt.

Finks empfindlicher Sensor könne "enorme Schäden an gesunden Organen" verhindern, sagt Henry Du, ein Lichtleitfaser-Forscher am Stevens Institute of Technology in Hoboken, New Jersey. "Diese Entwicklung zeigt, wie hervorragende universitäre Forschungsergebnisse direkt in die Praxis umgesetzt werden können, um Verbesserungen zu erreichen. Die Auswirkungen auf den Gesundheitsbereich sind enorm", sagt Du.

"Fehlererkennungsverfahren sind im Hochenergie-Bereich eine sehr gute Idee. Dort muss man die Technik sofort abschalten können", ergänzt Jim Harrington, Professor an der Rutgers University und früherer Präsident der International Society for Optical Engineering.

Die Lichtleitfaser mit integrierten Halbleiter-Schaltkreisen ließe sich darüber hinaus nicht nur zur Hitzeerkennung, sondern auch zum Feststellen anderer physikalischer Zustände verwenden. Fink zählt hierzu unter anderem Licht, Vibrationen und sogar chemische Stoffe. In Zukunft ließe sich sogar eine "schlaue" Faser bauen, die die Informationsverarbeitung und Datenspeicherung bereits enthält.

Finks Faser leitet den Hochenergie-Laser durch einen hohlen verspiegelten Kern. Um Löcher zu entdecken, ist der Spiegel mit einem Halbleiter-Material umgeben, dessen elektrische Leitfähigkeit sich mit der Temperatur verändern kann. Dies lässt sich dann mit Metalldrähten feststellen, die durch die gesamte Faser laufen. Sobald sich die Leitfähigkeit stark verändert, wird dies signalisiert, und eine Kontrolleinheit schaltet den Laser automatisch ab.

Um die Faser herzustellen, die kaum dicker als ein Millimeter ist, nutzt Fink eine zylindrische Vorform, die der exakten Geometrie der fertigen Faser entspricht, aber deutlich größer ist. Diese Form wird anschließend erhitzt und dann maschinell auseinander gezogen, was eine wesentlich längere, dünnere Faser ergibt. Aus einer 30 Zentimeter langen Vorform wird so eine Faser mit einer Länge von einem Kilometer. Problematisch sei allerdings gewesen, ein passendes Material zu finden (oder zu entwickeln), das sich ohne Brüche schmelzen und schließlich dehnen ließ.

Bislang hat Finks Forschergruppe die Faser nur mit mittleren Infrarotwellenlängen getestet. Andere Anwendungen, beispielsweise in der Zahntechnik oder beim Reparieren von Epoxydharz, benötigen andere Wellenlängen. Industrielle Hochenergie-Laser, die beispielsweise in der Automobilproduktion zum Schneiden und Schweißen verwendet werden, benötigen außerdem eine Faser, die wesentlich mehr Energie verträgt als die bisherigen, wie Fink erklärt.

Doch die jetzigen Anwendungsformen sind bereits sehr vielversprechend, wie Experte Du meint: "Ich hege keine Zweifel am Erfolg der neuen Faser. Sie wird breit eingesetzt werden."

Von Kevin Bullis; Übersetzung: Ben Schwan. (wst)