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.

Abb.: Infrarot-Analysen mit sichtbarem Licht: Schema des Versuchsaufbaus mit strahlteilenden Lithiumniobat-Kristallen. (Bild: D. A. Kalashnikov et al., ASTAR)

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