Dopplerfreie Frequenzkammspektroskopie

Das Forschungsfeld der Spektroskopie beschäftigt sich mit der zerstörungsfreien Bestimmung der Zusammensetzung von Gasen beziehungsweise der Detektion von Molekülen. Hierzu strahlt man breitbandiges Licht (also Licht verschiedener Farben) auf die zu messende Probe und beobachtet welche Farben des Lichts von der Probe verschluckt (genauer absorbiert) werden. Aus diesem spezifischen Absorptions-Fingerabdruck lassen sich dann Rückschlüsse über die vorhandenen Gase bzw. deren Molekülstruktur ziehen. Die oben beschriebene Methodik ist seit langem in vielen naturwissenschaftlichen Disziplinen etabliert und funktioniert sehr gut im Laborbetrieb. Eine echte Herausforderung ist es allerdings Absorptionsdaten über ein breites Spektrum mit sehr hoher Auflösung im Kilohertzbereich bereitzustellen. Hier stoßen etablierte Messmethoden an ihre Grenzen. Dies führt zu einem Problem, da Weltraummissionen, die im nächsten Jahrzehnt gestartet werden sollen, mit spektroskopischen Geräten ausgestattet sind, die Absorptionsspektren in einem breiten Wellenlängenbereich messen. Dazu gehören das James-Webb-Weltraumteleskop (Starttermin 24.12.2021) und der Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large-Survey (ARIEL), welches im Wellenlängenfenster von 1,25-7,8 m arbeitet. Beide Missionen zielen darauf ab, charakteristische molekulare Signaturen in der Atmosphäre und auf der Oberfläche sowohl von Objekten des Sonnensystems als auch von Exoplaneten unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen zu finden. Um diese Daten nutzbar zu machen benötigt man allerdings sehr präzise Vergleichsdaten der Absorptionseigenschaften vieler Gase. Mit der Erfindung des optischen Frequenzkammes wurde es möglich die Auflösung spektroskopischer Messungen drastisch zu erhöhen. Einen Frequenzkamm kann man sich wie viele verschiedene Laser genau definierter Farben vorstellen. Das wohldefinierte Farb-Spektrum des Frequenzkammes erlaubt es genauere Rückschlüsse über das absorbierte Licht zu ziehen und damit die Auflösung und Genauigkeit der Messungen drastisch zu erhöhen. In diesem Projekt erforschen wir einen neuartigen Ansatz bei welchem wir eine neue Art der breitbandigen Präzissionsspsektroskopie etablieren wollen. Diese Messungen mit bekannten Proben in einer gut kontrollierten künstlichen Umgebung helfen bei der Erstellung parametrisierter Datenbanken, die als Input für numerische Atmosphärensimulationen dienen. Der Einsatz solcher Simulationen und numerischer Berechnungen helfen wiederum dabei, gemessene Spektren zu verstehen und ein genaues Modell eines untersuchten Objekts, z.B. eines Exoplaneten, zu entwickeln.