Molekulare Schwingungen per Resonator verstärkt

Bestrahlt man Moleküle mit Laserlicht, so beginnen diese charak­te­ristisch zu schwingen und ebenfalls Licht auszu­senden. Bei niedrigen Konzen­tra­tionen ist diese Abstrahlung aber sehr schwach. Eine Gruppe von Wissen­schaftlern unter der Leitung von Ioachim Pupeza vom MPI für Quantenoptik konnte jetzt einen Weg aufzeigen, die Abstrahlung der Moleküle nach ihrer Anregung zu verstärken und so die Empfind­lich­keit der mole­kularen Laser­spektro­skopie erheblich zu verbessern.

Dazu schicken die Forscher die Laserpulse in einen mit Gas gefüllten optischen Resonator. In dem Resonator wurden die zugeführten Laserpulse über mehrere Spiegel in sich selbst zurück­geführt, so dass sich die Pulse mit ihren Vorgängern und Nach­folgern am Ende zeitlich über­lagern. Dadurch werden die Pulse und die mole­kularen Antworten verstärkt. Dem Team gelang es nun erstmals, die optischen Wellen­formen der verstärkten molekularen Antworten aus dem Resonator wieder ausge­koppelt und mit feldauf­gelöster Spektro­skopie abzu­tasten.

Dafür galt es einige Heraus­forde­rungen zu meistern. „Bisher konnten passive optische Über­höhungs­resonatoren nur Bandbreiten von weniger als zwanzig Prozent der optischen Zentral­frequenz abdecken und wurden meist bei Wellen­längen im nahen Infrarot betrieben“, erklärt Philipp Sulzer vom MPI für Quantenoptik. Um einen bedeutenden Teil des Finger­abdruck­bereichs im mittleren Infrarot abzudecken, mussten die Forscher neu überlegen, welche optischen Elemente und Regel­mecha­nismen für den Aufbau des Resonators verwendet werden können.

Außerdem dürfen die ultra­kurzen Pulse für die feld­auf­ge­löste Spektroskopie ihre Wellenform während eines Umlaufs durch den Resonator nicht verändern. Schließlich fanden die Laser­physiker eine Konfiguration, die aus vier gold­beschich­teten Spiegeln, feuchtig­keits­kontrol­lierter Luft und einer keilförmigen Diamant­platte zur Ein- und Auskopplung des Lichts im Resonator besteht. Ihr Ansatz ermöglicht eine Steigerung der Energie, die in der mole­kularen Antwort nach der impulsiven Anregung enthalten ist, um einen Faktor von mehr als 500.

„Der neue Messaufbau kombiniert unsere bisherige Arbeit an Überhöhungs­resonatoren mit unserer Expertise in der feldauf­ge­lösten Spektro­skopie“, erklärt Pupeza. „Die Ergebnisse eröffnen Perspek­tiven für die breit­bandige Gasspektro­skopie mit Empfind­lich­keiten von eins zu einer Billion Teilchen. Gleichzeitig bietet die Technik wegen der vergleichs­weise schmalen Absorptions­linien in der Gasphase hohes Potenzial für komplexe Gasgemischen wie die menschlichen Atemluft, in der manche Bestand­teile in sehr hoher, manche jedoch in sehr niedriger Konzen­tration vorliegen. Unser neuer Ansatz erhöht die Chancen, künftig Krank­heiten über Atemluft verlässlich zu detektieren und damit zum Beispiel neue, nicht­invasive Methoden zur Über­wachung von Therapien bereit­zu­stellen.“

MPQ / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  P. Sulzer et al.: Cavity-enhanced field-resolved spectroscopy, Nat. Photonics, online 22. August 2022; DOI: 10.1038/s41566-022-01057-0
• Field-resolved Infrared Metrology (I. Pupeza), Attoworld, Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching & Ludwig-Maximilians-Universität München