Infrarot-Spektroskopie mit geteiltem Licht

Mit Lithiumniobat-Kristallen lassen sich Photonen in nieder­energe­tischere Licht­teilchen auf­spalten. Solche Strahl­teiler finden beispiels­weise bei der Erzeugung von quanten­mechanisch gekoppelten, verschränkten Photonen­paaren Verwendung. Ein völlig anderes Anwendungs­feld eröffnete jetzt eine Forscher­gruppe aus Singapur. Die Wissen­schaftler um Leonid Krivitsky führten erstmals eine Infrarot-Spektro­skopie mit einem Grün­licht-Laser durch und erreichten eine verblüffend hohe Mess­genauig­keit. Dieser Ansatz könnte in Zukunft die Verwendung von günstigeren und ausge­reifteren Sensoren für den sicht­baren Spektral­bereich für die IR-Spektro­skopie ermög­lichen.

Krivitsky und seine Kollegen lenkten das grüne Laser­licht auf einen Lithium­niobat-Kristall in einer kleinen Vakuum­kammer. Dank der strahl­teilenden Eigen­schaft des Kristalls über die para­metrische Fluoreszenz entstanden jeweils ein Photon im roten und ein weiteres im infra­roten Spektral­bereich. Mit einem zweiten Lithium­niobat-Kristall konnten die Forscher die beiden Licht­teilchen wieder vereinigen. Dabei entstand über nicht-lineare Inter­ferenz ein spezifisches Streifen­muster, das sich mit einem CCD-Chip, der empfindlich auf sicht­bares Licht reagierte, aufzeichnen ließ.

Um die Genauigkeit ihrer Methode zu testen, füllten die Wissen­schaftler zwischen die beiden Kristalle etwas Kohlen­dioxid­gas, das Wärme­strahlung absorbiert und für sicht­bares Licht durch­lässig ist. Dank der IR-Absorption wurde die Intensität des aufge­teilten Infra­rot­lichts etwas geschwächt. Wieder mit dem roten Licht­anteil kombiniert, ergab sich ein Inter­ferenz­muster, aus dem sich das Absorbtions­vermögen und der Brechungs­index von Kohlen­di­oxid für Wärme­strahlung exakt bestimmen ließen. Die Genauig­keit für die Absorption lag bei etwa 5 x 10^-6, für den Brechungs­index bei 0,02 – 0,2 cm^-1. Für die Aufnahme eines kompletten Interferenz­spektrums benötigten die Forscher nur etwa zehn Sekunden.

Dieser Versuch belegt eindrucksvoll, dass auch mit günstigen Sensoren und Optiken für sicht­bares Licht genaue Infrarot-Analysen möglich sind. Da sich mit Wärme­strahlung viele Eigen­schaften von Gasen, Werk­stoffen und biolo­gischem Gewebe unter­suchen lassen, könnte diese IR-Spektro­skopie­methode der geteilten Licht­teilchen weitere Anwendungen finden. Da sich die Wellen­länge der geteilten Photonen über die Ausrichtung des strahl­teilenden Kristalls beein­flussen lässt, halten die Forscher sogar eine Ausweitung dieser Methode bis in das Tera­hertz-Spektrum für möglich.

Jan Oliver Löfken

RK