Scheibenlaser analysiert Atmosphäre genauer

Um Klima­schadstoffe in der Atmosphäre zu detektieren und überwachen, haben Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts eine neue Lasertechnologie entwickelt. Ein Hoch­leistungs-Ytterbium-Scheibenlaser treibt einen optisch para­metrischen Oszillator (OPO) an, um hochleistungs­fähige, stabile Impulse im kurzwelligen Infrarot­bereich (SWIR) zu erzeugen. Dies ermöglicht es Forschenden, eine Vielzahl von atmosphärischen Verbindungen zu erkennen und zu analysieren. Die Methode kann eine wichtige Rolle bei der Verfolgung von Treibhausgas­kreisläufen und den Auswirkungen des Klimawandels spielen.

Kurzlebige Schadstoffe spielen eine entscheidende Rolle bei der globalen Erwärmung. Methan ist beispielsweise für den globalen Treibhaus­effekt von besonderer Bedeutung, da sein Erwärmungs­potenzial im Vergleich zu Kohlendioxid 25-fach erhöht ist. Die Detektion und Überwachung dieser Schadstoffe ist jedoch in zweifacher Hinsicht eine Heraus­forderung. Wasserdampf interferierte und überlagert die Absorptions­spektren vieler Gase in Standard-Infrarot­bereichen, die normalerweise für die Erkennung verwendet werden. Darüber hinaus sind diese Schadstoffe aufgrund ihrer flüchtigen Präsenz in der Atmo­sphäre schwer zu nachzuweisen. Durch die Ausrichtung auf den SWIR-Bereich, in dem Schadstoffe wie Methan stark absorbieren, während die Absorption von Wasser minimal bleibt, bietet das neue Lasersystem eine beispiellose Erkennungs­empfindlichkeit und -genauigkeit.

Im Mittelpunkt dieser Innovation steht der Ytterbium-Scheibenlaser, der Hochleistungs-Femtosekunden­impulse mit Megahertz-Wiederholungs­raten erzeugt. Dadurch kann das System einen OPO pumpen und Laserimpulse mit bemerkens­werter Leistung und Intensität in den SWIR-Bereich umwandeln. Der OPO arbeitet mit der doppelten Wiederhol­rate des Pumplasers und liefert stabile, abstimmbare SWIR-Pulse, die für hoch­empfindliche spektro­skopische Anwendungen optimiert sind. Der extrem effiziente Ansatz des Teams integriert auch eine breitbandige Hochfrequenz­modulation des OPO-Ausgangs. Dies ermöglicht, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und so eine noch höhere Erkennungs­genauigkeit zu erzielen.

„Die Leistung unseres Lasersystems kann aufgrund der Leistungs­skalierbarkeit von Ytterbium-Scheiben­lasern auf eine höhere Durchschnitts- und Spitzenleistung skaliert werden. Der Einsatz des Systems zur genauen Detektion von Schadstoffen in Echtzeit ermöglicht bessere Einblicke in die Dynamik von Treibhausgasen. Dies könnte dazu beitragen, einige der größten Heraus­forderungen zu bewältigen, mit denen wir beim Verständnis des Klimawandels gegenübersehen“, sagte Doktorandin Anni Li. Die Fähigkeit des Lasers, hoch­leistungsfähige, stabile Impulse im SWIR-Bereich zu erzeugen, ist ein großer Fortschritt für die feld­aufgelöste Spektroskopie und die Femto­sekunden-Feldoskopie – Methoden, die es Forschern ermöglichen, eine Vielzahl von atmo­sphärischen Verbindungen mit minimaler Interferenz zu detektieren und zu analysieren.

„Diese neue Techno­logie ist nicht nur für die Atmosphären­überwachung und Gassensorik anwendbar, sondern birgt auch Potenzial für andere wissenschaftliche Bereiche wie die Kommunikation zwischen Erde und ihrer Umlaufbahn, wo Laser mit hoher Bandbreiten­modulation erforderlich sind“, so Hanieh Fattahi, leitende Forscherin des Projekts. Die Forschenden planen, das System weiter­zuentwickeln, um eine vielseitige Plattform für die Echtzeit-Überwachung von Schadstoffen und die optische Kommunikation zwischen Erde und Weltraum zu schaffen.

MPL / JOL