17.12.2020

Gut ausgeleuchtet von Infrarot bis Ultraviolett

Gasgefüllte Kristallfaser liefert Licht hoher Intensität über sehr großen Spektralbereich.

Optische Analysemethoden sind lebenswichtig für unsere moderne Gesellschaft: Sie ermöglichen es, Substanzen in Gasen, Flüssigkeiten sowie Feststoffen schnell und sicher nachzuweisen. In den vergangenen Jahren haben Wissenschaftler verschiedene Verfahren für die hyper­spektrale Spektroskopie und die entsprechende Aufnahme­technik entwickelt. Das erlaubt es beispielsweise, das Verhalten von Molekülen zu beobachten, wenn sie sich falten, rotieren oder vibrieren. So können die Forscher Molekülen, die eine Krebs­erkrankung signalisieren, Treibhaus­gasen, Schad­stoffen oder anderen potenziell gefährlichen Substanzen auf die Spur kommen. Diese hoch­empfindlichen Methoden haben sich bereits in vielen Anwendungs­feldern als sehr nützlich erwiesen, etwa in der Lebensmittel­überwachung, der biochemischen Sensorik oder in den Kultur­wissenschaften, beispielsweise um die Strukturen historischer Objekte, Gemälde oder Skulpturen zu untersuchen.

 

Abb.: Künstlerische Darstellung des Spektrums eines Mittel­infrarot­pulses,...
Abb.: Künstlerische Darstellung des Spektrums eines Mittel­infrarot­pulses, der sich im Hinter­grund mit dem elektrischen Feld des erzeugten Pulses verbreitert. (Bild: ICFO / L. Maidment, U. Elu & J. Biegert)

Die Herausforderung war dabei immer, dass kompakte Lichtquellen fehlten, die einen großen Frequenzbereich mit ausreichender Helligkeit abdecken. Teilchen­beschleuniger können große Spektren abdecken. Doch sie besitzen nicht die gleiche hohe zeitliche Kohärenz wie Laser. Zudem handelt es sich bei diesen ringförmigen Synchrotonen um teure Großgeräte mit erheblichem Platzbedarf.

Jetzt ist es einem internationalen Team unter der Führung von Jens Biegert, ICREA Professor am Forschungszentrum ICFO in Barcelona, gelungen, mit Hilfe einer neuartigen gasgefüllten, photonischen Kristallfaser eine kompakte, sehr helle Lichtquelle zu schaffen. An den jetzt veröffentlichten Arbeiten waren neben den Wissenschaftlern in Spanien Forscher vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen, von der Staatlichen Universität Kuban in Russland und vom Max-Born-Institut für nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin beteiligt. Das System von etwa der Größe einer Tisch­tennis­platte liefert ein sieben Oktaven umfassendes Spektrum, das von 340 bis 40.000 Nanometer Wellenlänge reicht. Das Licht ist dabei zwei bis fünf Größen­ordnungen heller als die Strahlung, die Synchrotone liefern.

Die Wissenschaftler arbeiten nun daran, die wenige Zyklen umfassende Pulsdauer des Lichts zu nutzen, um Prozesse in Substanzen mit hoher zeitlicher Auflösung zu untersuchen. Das eröffnet neue Möglichkeiten in der Molekular­spektroskopie, der physikalischen Chemie und der Festkörperphysik – um nur einige Beispiele zu nennen.

MPL / DE

 

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