Spektrale Bildgebung im mittleren IR

  • 20. September 2012

Nachweis einzelner MIR-Photonen mit hoher Effizienz und geringem Rauschen.

Der Bereich der mittleren Infrarotstrahlung (MIR) mit Wellenlängen von 3 bis 15 µm enthält eindeutige spektrale Informationen über viele wichtige chemische Substanzen. Das macht ihn für die Chemie, die Medizin und die Sicherheitstechnik interessant. Zwar hat man mit dem Quantenkaskadenlaser eine ideale MIR-Quelle, doch leistungsfähige MIR-Detektoren gab es bisher nicht. Jetzt haben Forscher in Dänemark ein Nachweisverfahren für einzelne MIR-Photonen entwickelt, mit dem sie bei Zimmertemperatur spektral aufgelöste rauscharme Videos aufnehmen können.

Das spektrale Bild einer Kerzenflamme im mittleren IR bei 2,9 µm

Abb.: Das spektrale Bild einer Kerzenflamme im mittleren IR bei 2,9 µm. Neben der Wärmestrahlung des Rußes im Docht und in der Flamme ist auch die Strahlung des heißen Wasserdampfes als Reihe von konzentrischen Kreisen zu erkennen, die um die optische Achse zentriert sind. (Bild: J. S. Dam et al. / NPG)

Forscher um Christian Pedersen an der Technischen Universität von Dänemark in Roskilde haben mit Frequenzaufwärtswandlung MIR-Strahlung von 2,85 bis 5 µm Wellenlänge sehr effizient in IR-Strahlung umgewandelt, die sie dann mit einer hochempfindlichen CCD-Kamera nachgewiesen haben. Die Aufwärtswandlung der MIR-Strahlung erreichte eine Quanteneffizienz von 20 Prozent, die damit um sechs Größenordnungen über den früher in diesem Strahlungsbereich erzielten Effizienzen lag. Das Dunkelrauschen des bei Zimmertemperatur betriebenen MIR-Wandlers entsprach 0,2 Photonen pro Pixel pro Sekunde, sodass einzelne MIR-Photonen nachgewiesen werden konnten.

Pedersen und seine Kollegen mischten das inkohärente MIR-Signal, das z. B. von einer Flamme oder einem von hinten beleuchteten Spalt ausging, mit einem infraroten Laserstrahl von 1064 nm Wellenlänge, den sie mit einem laserdiodengepumpten Nd:YVO4-Laser erzeugten. Das MIR-Signal und der Laserstrahl durchquerten ein 1 mm dickes, 10 mm breites und 20 mm langes Kristallplättchen aus optisch nichtlinearem Lithiumniobat, das Strahlung mit einer Wellenlänge bis zu 5 µm durchließ.

Unter bestimmten Bedingungen erzeugte der optisch nichtlineare Kristall aus der Laserstrahlung und dem MIR-Signal eine IR-Strahlung mit der Summenfrequenz. Dazu mussten die Phasengeschwindigkeiten der Laser- und der MIR-Strahlung im Kristall übereinstimmen. Dies erreichten die Forscher in der üblichen Weise durch räumlich periodische elektrische Polung des Kristalls. Je nach der gewählten Periode von 21 bis 23 µm wurde ein bestimmter Wellenlängenbereich des MIR-Signals aufwärtsgewandelt. Das dabei entstehende IR-Signal mit einer Wellenlänge um 800 nm ließ sich anschließend mit einer CCD-Kamera nachweisen. So konnten Videoaufnahmen mit einer Auflösung von 200×100 Pixeln gemacht werden.

Welche Möglichkeiten diese spektrale MIR-Bildgebung eröffnet, demonstrierten die Forscher an mehreren Beispielen. So filmten sie eine Butangasflamme, bei der heißer Wasserdampf entstand. Im MIR-Bild zeigten sich die verschiedenen äquidistanten Emissionslinien des Wassers im Spektralbereich von 2,85 bis 3,1 µm als konzentrische helle Ringe. Auch bei einer Kerzenflamme war dieser Fingerabdruck des Wasserdampfs zu erkennen. Darüber hinaus war im oberen Teil der Flamme bei 2,9 µm Wellenlänge das MIR-Signal von Ruß zu sehen. Bei 3,4 µm wurden in der Nähe des Dochts die Spuren von heißen, unverbrannten Kohlenwasserstoffen sichtbar. Bei 4,2 µm zeigten sich überall in der Flamme und auch noch hoch über ihr Spuren des bei der Verbrennung entstandenen Kohlendioxids. Auf diese Weise ließen sich für unterschiedliche MIR-Wellenlängen Bilder aufnehmen, aus denen man die räumliche Verteilung verschiedener leuchtender Substanzen ersehen konnte.

Mit einer besonders empfindlichen CCD-Kamera zeigten die Forscher, dass sich mit ihrem Verfahren einzelne MIR-Photonen nachweisen ließen. Sie machten das von der Kamera verursachte Signalrauschen möglichst gering, indem sie den Kamera-Chip auf –85 Grad Celsius kühlten, während sie den nichtlinearen Kristall auf Zimmertemperatur beließen. Da der Kristall völlig durchlässig für MIR-Strahlung war, erzeugte er in diesem Wellenlängenbereich selbst bei 30 Grad praktisch keine Wärmestrahlung. Deshalb enthielten die auf 800 nm aufwärtsgewandelten Bilder fast kein Rauschen. Bei dieser Wellenlänge arbeitete die Kamera äußerst effizient, sodass sie noch einzelne IR-Photonen nachweisen konnte, die wiederum aus einzelnen MIR-Photonen durch die Aufwärtswandlung entstanden waren.

Die erreichte Quantenausbeute von 20 Prozent glauben die Forscher noch erheblich verbessern zu können, indem sie einen stärkeren Pumplaser, einen besseren Laserresonator und einen effizienteren, längeren nichtlinearen Kristall benutzen. Eine Effizienz von 50 Prozent scheint ihnen erreichbar zu sein. Mögliche Anwendungen für ihr MIR-Abbildungssystem mit einzelnen Photonen sehen sie in der Astronomie, den Biowissenschaften, der Industrie und der Sicherheitstechnik, etwa beim Aufspüren gefährlicher Stoffe.

Rainer Scharf

OD

Share |

Bestellen

Sie interessieren sich für ein Bezugsmöglichkeiten von Optik & Photonik oder Laser Technik Journal?

Webinar

Simulation optisch großer Bauteile

  • 14. September 2017

Das Model­lie­ren optischer An­wen­dungen wie zum Bei­spiel Richt­kopp­ler, nicht­line­are opti­sche Wellen­leiter, Nano­partikel­ausbrei­tungen sowie Meta­materi­alien ist zur Bewer­tung und Opti­mie­rung von Bau­for­men er­for­der­lich.

Alle Webinare »

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer