Jenseits der Nyquist-Frequenz

Die ultraschnelle Laser­spektroskopie ermöglicht die Erfassung dynamischer Vorgänge auf extrem kurzen Zeitskalen, und macht sie damit zu einem sehr nützlichen Instrument für viele wissen­schaftliche und industrielle Anwendungen. Ein großer Nachteil ist die beträchtliche Messzeit, die diese Technik in der Regel erfordert, was oft zu langen Messzeiten von Minuten bis Stunden führen kann. Wissen­schaftler haben nun eine Lösung entwickelt, die die spektro­skopische Analyse beschleunigt. Leiterin des Projekts ist Hanieh Fattahi vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts.

Ultrakurze Pulse spielen eine wichtige Rolle in spektro­skopischen Anwendungen. Ihre große spektrale Bandbreite ermöglicht die gleichzeitige Charak­terisierung der Probe bei verschiedenen Frequenzen, so dass keine wiederholten Messungen oder Laserabstimmungen erforderlich sind. Darüber hinaus ermöglicht ihre extreme zeitliche Begrenzung eine zeitliche Isolierung der Probenantwort vom Haupt­anregungspuls. Die Reaktion der Probe, die mit umfassenden spektro­skopischen Informationen angereichert ist, dauert von einigen zehn Femtosekunden bis zu Nanosekunden und wird in der Regel durch einen kürzeren Puls mit verschiedenen Zeit­verzögerungen untersucht. 

In Verbindung mit anderen Techniken, wie der mehr­dimensionalen kohärenten Spektroskopie oder der hyper­spektralen Bildgebung, erleichtert die ultraschnelle Spektroskopie die Identi­fizierung unbekannter Inhaltsstoffe. Das Streben nach Echtzeit­messungen stößt jedoch auf Hindernisse, vor allem aufgrund der umfangreichen Daten­erfassung, da diese für jedes Pixel des Spektrums mit hoher Bandbreite erforderlich ist. Die Folgen sind erhebliche Verzögerungen bei der Datenerfassung, verlängerte Verarbeitungszeit und ein erhöhtes Datenvolumen.

Forschende haben eine Lösung entwickelt, um die spektro­skopische Analyse zu beschleunigen. Kilian Scheffter, Doktorand in der Gruppe Femto­sekunden-Feldoskopie von Hanieh Fattahi, erklärt: „Die Reaktion von Molekülen auf ultrakurze Anregungspulse ist in vielen Proben typischerweise spärlich, was bedeutet, dass die Reaktion nur bei bestimmten Frequenzen auftritt, die als molekulare Finger­abdrücke bekannt sind. Durch eine strategische Zufalls­anordnung der Messpunkte kann ein bekannter Algorithmus, der Compressed Sensing Algorithmus, das Signal effizient rekonstruieren. Somit können weniger Datenpunkte verwendet werden, als die durch das Nyquist-Kriterium vorgegebene Grenze. Die größte Heraus­forderung bestand jedoch darin, die zeitliche Überlappung zwischen den Messpulsen und den Femtosekunden-Anregungs­pulsen zufällig zu verändern. In Zusammenarbeit mit unseren Partnern in Deutschland und Frankreich haben wir erfolgreich akustische Wellen eingesetzt, um diese zeitliche Überlappung zufällig zu modulieren. Diese Innovation erweitert die Anwendung der kompri­mierten Abtastung auf spektro­skopische Messungen in Echtzeit.“

„Die beschleunigte Zeitbereichs­spektroskopie bietet mehrere Vorteile, zum Beispiel bei der Vereinfachung der labelfreien Abbildung empfindlicher Proben, bei der Echtzeit-Umweltüberwachung und Freiluft­diagnostik von toxischen und gefährlichen Gasen sowie bei der molekularen Feldoskopie", sagt Hanieh Fattahi.

MPL / JOL