Rückwärts-Laser für bessere Gasanalysen

  • 28. January 2011

Mit UV-Licht angeregte Sauerstoffmoleküle zerfallen und senden gebündeltes Infrarotlicht aus.

Zahlreiche Gase wie Kohlendioxid oder Stickstoff eignen sich als Emitter für intensives Laserlicht. Doch diese Moleküle müssen sich nicht unbedingt in einer geschlossenen Kammer eines kommerziellen Lasers befinden. Physikern von der Princeton University gelang es nun, Sauerstoffmoleküle in einem kleinen Luftareal so anzuregen, dass sie in eine Rückwärtsrichtung gebündeltes Infrarotlicht aussendeten. Diese Methode könnte zu empfindlicheren Gasuntersuchungen in der Umweltanalytik oder Sicherheitstechnik führen.

"Wir demonstrierten eine große Laserverstärkung mit einem 100-Picosekunden Pumplaser in Luft", berichten Arthur Dogariu und seine Kollegen vom Mechanical and Aerospace Engineering Department an der Princeton University. Dazu fokussierten sie den Spot eines UV-Lasers mit 226 Nanometer Wellenlänge auf ein kleines Luftareal mit etwa zehn Mikrometer Durchmesser und einem Millimeter Länge. In einem Abstand zwischen 30 und 100 Zentimeter führten die 100 Picosekunden langen Laserpulse (100 µJoule) zur Dissoziation der Sauerstoffmoleküle. Die resultierenden Atome wurden über eine Zwei-Photon-Anregung in den Zustand 3p3P gebracht. Bei dem Übergang in den 3s3S-Zustand sendeten die Sauerstoffatome Photonen mit einer Wellenlänge von 845 Nanometer aus.

Diese Emission erfolgte jedoch nicht isotrop, sondern bevorzugt in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung in Bezug zum einfallenden Laserstrahl des UV-Pumplasers. Dort war die Intensität um einen Faktor von etwa einer Million größer als in den anderen Raumrichtungen bei einer Energie von circa 20 Nanojoule. Die Weite dieser Emissionskanäle bestimmten die Forscher auf einen kleinen Winkelbereich von 6 x 10-3 sr.

Abb.: Mit dem Licht eines UV-Pumplaser werden Sauerstoffmoleküle in der Luft dissoziiert und die resultierenden Atome über eine Zwei-Photon-Anregung zur rückwärts gerichteten Aussendung von Infrarot-Photonen angeregt. (Bild: A. Dogariu et al., Science)

Abb.: Mit dem Licht eines UV-Pumplaser werden Sauerstoffmoleküle in der Luft dissoziiert und die resultierenden Atome über eine Zwei-Photon-Anregung zur rückwärts gerichteten Aussendung von Infrarot-Photonen angeregt. (Bild: A. Dogariu et al., Science)

Dieses Experiment belegt, dass sich durch die geschickte Fokussierung eines Pumplaserstrahls quasi ein Sekundärlaser im freien Luftraum erzeugen lässt. Besonders die rückwärts gewandte Emission könnte von großer Bedeutung für technische Anwendungen sein. Denn das gebündelte Infrarotlicht kann auf diesem Weg in Wechselwirkung mit anderen Gasmolekülen treten. Aufgefangen mit einem Photodetektor soll er wegen seiner relativ hohen Intensität genauere Gasanalysen in schwer zugänglichen Bereichen als mit bisher verfügbaren Methoden möglich machen. Vor allem das Aufspüren von Sprengstoffspuren hat das Team um Dogariu im Sinn.

Reif für einen Einsatz an Flughäfen oder in der Umweltanalytik ist dieser "Luft-Laser" allerdings noch nicht. In weiteren Versuchen wollen die Forscher die Intensität der rückgewandten Emission weiter erhöhen.

Jan Oliver Löfken

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 MH

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