Neue Laser ermöglichen hochempfindliche molekulare Fingerabdrücke
Das elektromagnetische Spektrum besteht aus allen möglichen Wellenlängen (und den entsprechenden Frequenzen) von elektromagnetischer Strahlung. Bei herkömmlichen Spektroskopietechniken werden einzelne Frequenzen getrennt voneinander abgetastet, um Informationen über den molekularen Inhalt zu liefern. Ein Frequenzkamm, dessen Entdeckung im Jahr 2005 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, ist ein Lichtspektrum, das Spektrallinien bildet, ähnlich wie die Zähne eines Kammes zahlreichen Frequenzen entsprechen. Das Projekt METROCOMB (Femtosecond comb optical parametric oscillators for high-resolution spectroscopy in the mid-infrared) führte ein Konsortium von internationalen Experten zu Ultrakurzpulslaser, stabilisierten Frequenzkämmen und optischen parametrischer Oszillatoren, alles aufstrebende Technologiebereiche, zusammen. Die Projektmitglieder entwickelten erfolgreich einen Frequenzkammlaser mit einem optischen parametrischer Oszillator und erreichten damit eine beispielloses Maß an Nachweisempfindlichkeit und Genauigkeit. Der als Frequenzkammlaser bezeichnete neue Laser arbeitet im Infrarotbereich, in dem herkömmliche Frequenzkammlaser nicht betrieben werden können. Er hat das Potenzial, die Spektroskopie im Bereich des molekularen Fingerabdrucks zu verändern und Echtzeit-Bildgebung mit molekularer Identifizierung, das Erkennen von Spuren von Chemikalien sowie die medizinische Atemanalyse möglich zu machen. Der optische parametrische Oszillator, der den nahinfraroten Femtosekundenkamm aufbaut, wurde von einem modengekoppelten Halbleiterlaser (VECSEL) gepumpt. Statt Licht von nur einer Wellenlänge zu erzeugen, produziert der Frequenzkamm mehrere verschiedene Wellenlängen, die einen Satz von gleichmäßig beabstandeten Frequenzen bilden. Diese Laserpulse waren ultrakurz und lagen nur Nanosekundenintervalle auseinander. Den Projektmitgliedern gelang es, die Stabilität der Kämme im Wellenlängenbereich von 1 bis 4,5 µm zu verbessern. Die Impulskompression in der VECSEL-Konfiguration wurde in zwei Stufen durchgeführt. Zunächst wurde ein Exra-Hohlraum-Pulskompressor mit zwei Beugungsgittern verwendet, um die Impulsdauer des primären Laserausgangsstrahls zu verringern. In der zweiten Stufe legte das Team eine fünf Meter lange polarisationserhaltende Faser mit Selbstphasenmodulation auf den Ausgangsstrahl an, die das Spektrum verbreiterte. Danach wurde der spektral verbreiterte Impuls erneut komprimiert und hielt die Pulsdauern so unter 300 fs. Durch Einbau in eine kompakte, tragbare und kostengünstige Laser-Konfiguration, die im Rahmen von METROCOMB entwickelt wurde, könnte der leistungsstarke, robuste Femtosekundenkamm die industrielle und Umweltüberwachung sowie die medizinische Diagnostik und Sicherheitssysteme revolutionieren.
Schlüsselbegriffe
Molekularer Fingerabdruck, Frequenzkamm, Laser, Infrarot, Spektroskopie, Messtechnik
