Erzeugung von IR-Superkontinuum mit Festkörperlaser

Das Gebiet von ultraschnellen Optik hat in den letzten Jahren eine wahrhafte Revolution erlebt, so dass ein Femtosekundenlaser ein akzeptiertes Werkzeug in der Physik, Chemie, Biologie, aber auch in der Technik wurde. Der ununterbrochen schnelle Fortschritt ruft aber immer neue aufregende Anwendungen hervor. Die Erzeugung vom Superkontinuum stellt eine Schlüsseltechnologie für solche Anwendungen wie hochpräzise Frequenzmetrologie, optische Phasenkontrolle, Kompression der Ultrakurzimpulse, optische Kohärenztomographie, höchstauflösende Spetroskopie u.v.a. Viele dieser Techniken sind derzeit zu einem Wellenlängenbereich rund um 800 nm beschränkt, da bei den anderen Wellenlängen keine geeignete Quellen existieren. Das Projekt soll die Grundlagen und Techniken zur Erzeugung vom Superkontinuum im mittleren Infrarot entwickeln, die einen Durchbruch in der Infrarotlasertechnologie und nichtlinearer Optik ermöglichen. Als Ergebnis dieses Projektes sollen neue Superkontinuumquellen enstehen, die einen Bereich von 1 bis über 3 mikrometer decken. Diese werden u.a. transportierbare Frequenzkammgeneratoren ermöglichen, die die atomaren und molekulären Frequenzstandarts verbinden. Dies wird die Präzisionsmetrologie, die bis jetzt weltweit nur einigen Spezielllabors vorenthaltet wurde, zu einer praktischen Technik machen. Im Bereich der Biologie und Medizin wird eine hochauflösende infrarotoptische Kohärenztomographie entstehen. Es ist ebenso wichtig, dass die neuen Geräte erschwinglich, kompakt und transportabel sind. Die jüngsten Entwicklungen in unserem Labor im Bereich infraroter ultraschneller Festkörperlaser, sowie Fortschritte bei der Herstellung von nichtlinearen Materialien bringen dieses ambiziöses Ziel in die greifbare Nähe.

Wir leben in Welt der Moleküle: wir bestehen aus ihnen, wir sind von ihnen umhüllt, wir atmen sie ein und aus. Optik erlaubt es, alle Moleküle in unserer Umgebung durch Vermessung von Absorptionsspektren mit großer Genauigkeit zu analysieren. Um die notwendige Empfindlichkeit zu erreichen, ist es wichtig, dass die Spektren im mittel-infraroten Wellenlängenbereich (das ist ca. von 2 bis 20 Mikrometer) gemessen werden, wo alle relevanten Moleküle am stärksten absorbieren. Dieses Projekt hat entscheidende Verbesserungen in die mittel-infrarote Spektroskopie beigesteuert, indem es neue, auf Ultrakurzimpulslaser basierten Lichtquellen entwickelt hat. Diese Laser sind einzigartig, da sie mehrere Wellenlängen gleichzeitig ausstrahlen (was Vermessung von mehreren Molekülen auf einmal ermöglicht) und nichtdestotrotz eine sehr hohe Brillanz aufweisen, die viele Größenordnungen über den anderen Quellen liegt. Durch die hohe Brillanz verkürzt sich die Messzeit radikal: von Stunden runter zu Sekunden, und sogar bis zu hunderten Spektren pro Sekunde. Laser erlauben auch sehr empfindliche Messungen, wo man Gasteilkonzentration von nur 1 Teil pro Milliarde und sogar besser nachweisen kann. Die entwickelten Technologien erlauben es, kompakte und transportierbare Geräte zu bauen, die alle wesentlichen Moleküle auf einmal aufzeichnen können, von industriellen Schadstoffen bis hin zu natürlichen Biomolekülen. Die Messgeschwindigkeit kann dabei so hoch sein, dass man die schnellen Gasflüsse von industriellen Anlagen in Echtzeit analysiert, oder die Krankheitsmarker im Atemluft schon während des Ausatmens nachweist.