Molekulare Schwingungen per Resonator verstärkt

Neues Verfahren ermöglicht Identifikation von Molekülen auch bei sehr niedrigen Konzentrationen.

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.

Abb.: Verstärkung von Laser­pulsen (weiß) und mole­ku­laren Ant­worten...
Abb.: Verstärkung von Laser­pulsen (weiß) und mole­ku­laren Ant­worten (rot) in einem pas­si­ven op­tischen Re­so­nator. (Bild: C. Hacken­berger, MPQ)

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

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