Asymmetrische optische Fasern für zeitaufgelöste Spektroskopie

Der Physik-Nobelpreis 2018 wurde für die Entwicklung von gepulsten Femtosekunden-Laserquellen (fs = 10-15 s) verliehen. In der Tat haben solche Laser die Materialforschung revolutioniert und ein tieferes Verständnis vieler Prozesse ermöglicht, die für die Funktion des Organismus, für den Einfluss von Medikamenten oder für die Synthese neuartiger Materialien verantwortlich sind. Die Femtosekunden- (ultraschnellen) Laser ermöglichen es, optische Pulse mit extrem hohen Spitzenleistungen zu erzeugen. Bei solch starker Bestrahlung reagieren die Atome und Moleküle auf überraschende Weise. Viele solcher extremen Prozesse führen auf irreversible Weise zu einer Änderung der Materialstruktur auf der Zeitskala von Femtosekunden, welcher schwer zu erfassen ist, da elektronische Geräte dafür zu langsam sind. Heute profitieren vor allem die Medizin- und Umweltdiagnostik sowie die Materialbearbeitung von der Nutzung ultraschneller Pulse, erfordern jedoch optische Wellenlängen im mittleren Infrarot (26 m). Der Projektplan ist die Untersuchung eines neuen, einfachen, Diagnoseverfahrens im mittleren infraroten Spektralbereich, dass in der Lage sein wird, irreversible ultraschnelle Materialprozesse zu überwachen. Ein polnisches Forscherteam wird eine spezielle optische Faser mit zwei parallelen Kernen aus Glas entwickeln, die im Gegensatz zu herkömmlichem Glas, im mittleren Infrarot transparent ist. Das österreichische Forschungsteam wird zwei hochspezialisierte, ultraschnelle, gepulste Laserquellen entwickeln, deren Ausgänge gleichzeitig entlang der Faser geführt werden. Die sorgfältige Synchronisation dieser Quellen, welche bei zwei entfernten Wellenlängen arbeiten, führt zu einer speziellen Impulsfolge, die eine Reihe von Farben im mittleren Infrarot darstellt. Das endgültige Ziel des Projekts ist es, diese neuartige Form der optischen Strahlung für die Materialprozessdiagnostik durch eine relativ kostengünstige Methode zu nutzen. Sie hat in vielen Fällen das Potenzial, die teuren und sperrigen Röntgen-, Magnetresonanz- oder Teilchenbeschleunigungstechniken zu ersetzen. Wichtiger Bestandteil des Projekts sind computergestützte Simulationen, welche die richtige Struktur der Faser und ihre Wechselwirkung mit den zweifarbigen Femtosekundenpulsen vorhersagen können. Nach den ersten Berechnungen wird das polnische Team die Spezialgläser vorbereiten und verschiedene Fasertypen herstellen, welche Strukturen im Bereich von wenigen m haben. Das österreichische Forschungsteam wird Experimente durchführen und die besten Proben für die abschließenden spektroskopischen Untersuchungen auswählen. Wir beabsichtigen verschiedene Glasfasern vorzustellen, die für verschiedene Wellenlängen im mittleren Infrarot optimiert werden. Ein wichtiger Vorteil dieses Verfahrens ist seine Kompaktheit und der geringe Energiebedarf der Diagnosestrahlung. Dies ermöglicht die Anwendung dieses Verfahrens für biologischen Proben ohne deren Beschädigung oder Degradierung.