MIR-Frequenzkamm für Doppler-freie Spektroskopie

Eine der wichtigsten Methoden, um die chemische Zusammensetzung einer unbekannten Probe sowie die Struktur und Funktion ihrer Komponenten zu bestimmen, besteht darin, sehr genau zu messen, wie Licht verschiedener Wellenlängen von der Probe absorbiert und emittiert wird, d.h. ein sogenanntes spektroskopisches Experiment durchzuführen. Solche Messungen haben große Auswirkungen insbesondere auf die Analyse unbekannter Gasproben, beispielsweise bei der Überwachung von Umweltschadstoffen in der Luft oder zur Früherkennung von Krankheiten in menschlichen Atemproben. Die aus der Messung der Gasprobe resultierenden Wellenlängensignale sind jedoch üblicherweise unscharf. Der Grund für diese Unschärfe ist der Doppler-Effekt: Aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der einzelnen Moleküle, die sich in der Gasphase besonders schnell bewegen, absorbiert jedes Molekül Licht mit einer leicht unterschiedlichen Wellenlänge.Dieso genannteDoppler-freie Sättigungsspektroskopie bietet die Möglichkeit, diese Unschärfe zu beseitigen und hochauflösende Übergangsspektren zu erhalten, welche die "Fingerabdrücke" dieser Moleküle darstellen: Durch Sättigung der Absorption mit gegenläufigen Laserlichtstrahlen ist es möglich, diese Unschärfe aufzuheben und damit die darunter liegenden schmalen Linienstrukturen zu messen. Die meisten dieser wichtigen Übergänge finden im mittleren Infrarotbereich (IR) statt, d.h. bei Wellenlängen von 2-20 um. Allerdings ist unseres Wissens nach noch keine optische Quelle in diesem Wellenlängenbereich mit ausreichender Leistung gezeigt worden, welche diese Übergänge bei Raumtemperatur zu sättigen vermag und gleichzeitig eine ausreichende spektrale Bandbreite aufweist, um mehrere Übergänge gleichzeitig zu detektieren. Daher haben hochauflösende Messungen in diesem Wellenlängenbereich darauf basiert, dass die Probe kryogen gekühlt wurde um die Dopplerverbreiterung zu eliminieren. Dadurch geht allerdings wichtige Informationen über Energiezustände verloren gehen, die bei höheren Temperaturen besetzt sind. In diesem Projekt schlagen wir ein System vor, das in der Lage ist, breitbandige hochauflösende Doppler-freie Sättigungsspektroskopie bei Raumtemperatur auf der Basis eines Hochleistungs-Frequenzkamms im mittleren IR-Bereich durchzuführen. Optische Frequenzkämme sind Lichtquellen, die zwei Hauptmerkmale vereinen: Jeder Kammlinie ist spektral sehr schmal und bietet damit eine Auflösung, die <10 kHz erreichen kann, während die große Anzahl (> 10`000) an Linien eine breite spektrale Bandbreite umfasst. Wir schlagen eine Quelle vor, die im Wellenlängenbereich von 3-5 m arbeitet und auf einem optischen parametrischen Oszillator basiert, der von einem verstärkten 150-MHz Ytterbium:Faserlaser gepumpt wird. Das System wird eine beispiellose Leistung pro Kammlinie (100 W) liefern, d.h. eine Größenordnung mehr als bei derzeit existierenden Aufbauten. Um für die Sättigung der Absorption genügend Leistung pro Linie zu erreichen, recyceln wir den Kamm in einer sogenannten Erhöhungsresonator. Für letzteren werden wir eine neuartige, in Österreich entwickelte Technologie nutzen: sogenannte kristalline Spiegel, die im mittleren IR-Bereich eine rekordarme Verlustleistung aufweisen und es uns ermöglichen, eine neue Generation von Erhöhungsresonatoren für linienaufgelöste Spektroskopie zu entwickeln.

Eine der wichtigsten Methoden, um die chemische Zusammensetzung einer unbekannten Probe sowie die Struktur und Funktion ihrer Komponenten zu bestimmen, besteht darin, sehr genau zu messen, wie Licht verschiedener Wellenlängen von der Probe absorbiert und emittiert wird, d.h. ein sogenanntes spektroskopisches Experiment durchzuführen. Solche Messungen haben große Auswirkungen insbesondere auf die Analyse unbekannter Gasproben, beispielsweise bei der Überwachung von Umweltschadstoffen in der Luft oder zur Früherkennung von Krankheiten in menschlichen Atemproben. Die aus der Messung der Gasprobe resultierenden Wellenlängensignale sind jedoch üblicherweise unscharf. Der Grund für diese Unschärfe ist der Doppler-Effekt: Aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der einzelnen Moleküle, die sich in der Gasphase besonders schnell bewegen, absorbiert jedes Molekül Licht mit einer leicht unterschiedlichen Wellenlänge. Die so genannte Doppler-freie Sättigungsspektroskopie bietet die Möglichkeit, diese Unschärfe zu beseitigen und hochauflösende Übergangsspektren zu erhalten, welche die "Fingerabdrücke" dieser Moleküle darstellen: Durch Sättigung der Absorption mit gegenläufigen Laserlichtstrahlen ist es möglich, diese Unschärfe aufzuheben und damit die darunter liegenden schmalen Linienstrukturen zu messen. Die meisten dieser wichtigen Übergänge finden im mittleren Infrarotbereich (IR) statt, d.h. bei Wellenlängen von 2-20 um. Allerdings ist unseres Wissens nach noch keine optische Quelle in diesem Wellenlängenbereich mit ausreichender Leistung gezeigt worden, welche diese Übergänge bei Raumtemperatur zu sättigen vermag und gleichzeitig eine ausreichende spektrale Bandbreite aufweist, um mehrere Übergänge gleichzeitig zu detektieren. In diesem Projekt haben wir an der Entwicklung eines Lasersystems gearbeitet, das auf einem Hochleistungs-Frequenzkamm im mittleren Infrarot basiert, der in der Lage sein wird, breitbandige hochauflösende Doppler-freie Sättigungsspektroskopie bei Raumtemperatur durchzuführen. Optische Frequenzkämme sind Lichtquellen, die zwei Hauptmerkmale vereinen: Jeder Kammzahn ist spektral sehr schmal und bietet somit eine Auflösung, die potenziell <10 kHz erreichen kann, während die große Anzahl (>10'000) von Linien eine große spektrale Bandbreite überspannt. Als eines der Hauptergebnisse dieses Projekts haben wir ein neues Faserlaser-Cavity-Design entwickelt, das gleichzeitig Zuverlässigkeit und Flexibilität ermöglicht.Wir haben gezeigt, dass dieser Laser eine hervorragende Rauschleistung liefern kann, was entscheidend ist, da das gesamte System auf diesem Laser aufbaut und auch dessen Rauschen erbt. Verstärkerstufen wurden gebaut, mit denen nun eine optische Durchschnittsleistung von 100 W erreicht wird. Darüber hinaus haben wir einen optisch-parametrischen Oszillator entworfen, der es ermöglichen wird, das Nahinfrarotlicht des verstärkten Lasers von 1 m in den Wellenlängenbereich von 3-5 m umzuwandeln. Das System ist nun auf dem besten Weg, eine beispiellose Leistung pro Kammlinie (100 W) zu liefern, d. h. eine Größenordnung mehr als derzeit existierende Setups.