Doppelter Frequenzkamm mit einem Laser

Laserlicht hat, im Gegensatz zum Licht einfacher Lampen, eine sehr genau definierte Frequenz. Dadurch eignet es sich hervor­ragend für präzise spektro­skopische Unter­suchungen, in denen die Eigenschaften von Stoffen anhand der Frequenzen bestimmt werden, bei denen sie Licht absorbieren. Für eine komplette spektro­skopische Analyse muss man allerdings in der Regel Geduld mitbringen, da die Frequenz des Lasers nach und nach verändert werden muss, damit ein voll­ständiges Spektrogramm entsteht. Physiker an der ETH Zürich unter Leitung von Ursula Keller am Institut für Quanten­elektronik haben nun eine weg­weisende Methode demonstriert, mit der spektro­skopische Untersuchungen in Zukunft einfacher und schneller gemacht werden könnten. Dazu ent­wickelten sie eine neuartige Technik zur Erzeugung doppelter Frequenz­kämme.

Anders als ein normaler Laser, der Licht bei einer Frequenz aussendet, weist ein Frequenz­kamm eine Vielzahl von Frequenzen in konstantem Abstand voneinander auf – ähnlich wie die Mar­kierungen auf einem Lineal. Möglich wird dies durch den Einsatz von Lasern, die extrem kurze, periodische Licht­pulse erzeugen. Solche Pulsfolgen haben ein kamm­ähnliches Frequenz­spektrum, das mit bestimmten optischen Materialien noch breiter aufge­fächert werden kann. Im Jahr 2005 wurde der Nobelpreis für die laser­basierte Präzisions­spektroskopie ein­schließlich der optischen Frequenz­kamm­technik verliehen, zu der Ursula Keller in Zusammen­arbeit mit Harald Telle von der PTB Braun­schweig im Jahr 1999 die wesentliche Schlüssel­technologie zur Stabi­lisierung der optischen Frequenz­kämme lieferte.

Im Prinzip könnte man mit einem solchen Frequenz­kamm eine Substanz mit vielen Frequenzen gleich­zeitig untersuchen. Bei der Spektro­skopie mit einem normalen Laser schickt man einen Teil des Lichts durch den zu unter­suchenden Stoff, und den anderen Teil benutzt man als Referenz. Nun scannt man die Laser­frequenz stetig und misst zugleich mit Hilfe zweier Photo­detektoren, wie stark das Laserlicht von dem Stoff bei ver­schiedenen Frequenzen im Vergleich zum Referenz­strahl absorbiert wird. Aus dem Frequenz­scan ergibt sich dann das für den Stoff charak­teristische Spektrum. Leider lässt sich dieses Verfahren aber nicht ganz so einfach auf einen Frequenz­kamm anwenden. Zwar würden die verschiedenen, gleich­zeitig vorhandenen Frequenz­anteile tatsächlich verschieden stark absorbiert. Der Photo­detektor könnte sie allerdings nicht von­einander unter­scheiden. Dazu müsste er die einzelnen, über­lagerten Schwingungen des Lichts direkt aufzeichnen, was aber wegen deren hoher Frequenz von mehreren hundert Terahertz in der Praxis nicht möglich ist.

Die von Keller und ihren Mit­arbeitern ent­wickelte Technik überträgt diese schnellen, nicht direkt messbaren Schwingungen nun in viel langsamere, die leicht mit herkömm­licher Elektronik nachgewiesen werden können. Dabei wird ein Trick eingesetzt, der in ähnlicher Form auch von Klavier­stimmern angewendet wird: Um die ver­schiedenen Saiten desselben Tons auf die gleiche Stimmung zu bringen, orientiert sich der Klavier­stimmer an der Schwebung, die entsteht, wenn sich zwei verschiedene Frequenzen überlagern. Die Schwebung pulsiert mit einer Geschwindig­keit, die der Differenz der beiden über­lagerten Frequenzen entspricht.

Die Forscher wenden eine ganz ähnliche Methode an, indem sie einen zweiten Frequenz­kamm erzeugen, dessen Frequenzen einen etwas anderen Abstand von­einander haben als die des ersten. Dadurch entstehen Frequenz­paare, von denen jedes zu einer leicht unter­schiedlichen Schwebungs­frequenz führt. Diese Schwebungs­frequenzen liegen nun im Megahertz-Bereich und können problemlos mit Photo­detektoren gemessen werden.

Diese Doppel­kamm-Spektro­skopie gibt es zwar schon seit einigen Jahren, doch mit der nun ent­wickelten Technik wird sie deutlich einfacher und kosten­günstiger, wie Sandro Link erklärt: „Das eigentlich Neue ist, dass wir die beiden Frequenz­kämme mit nur einem einzigen Laser erzeugen anstatt mit zweien, die dann aufwendig zu­einander stabi­lisiert werden müssten.“ Der Trick: Die Forscher setzen einen doppel­brechenden Kristall in einen Laser ein, wodurch das Licht je nach Polari­sierung etwas verschiedene Wege zurücklegt. Die beiden so entstehenden Laser­strahlen weisen dadurch leicht unter­schiedlichen Puls­perioden auf, und dadurch entstehen Frequenz­kämme mit ver­schiedenen Frequenz­abständen. Da die beiden Frequenz­kämme von demselben Laser erzeugt werden, wird eine gegen­seitige Stabi­lisierung überflüssig.

Schon jetzt zeichnen sich viel­fältige mögliche Anwen­dungen der neuen Technik ab. Da sie ein komplettes Spektrum in weniger als einer tausends­tel Sekunde erstellen kann, eignet sie sich beispiels­weise hervor­ragend, um die Konzen­tration von Substanzen in der Umwelt oder in Fabrik­abgasen zu messen. Auch schnell strömende Gase in der Petro­chemie könnten damit rasch analysiert werden, um etwa Produktions­abläufe zu überwachen und zu steuern.

ETHZ / JOL