Durchbruch in der Ultraviolett-Spektroskopie

Forscher am MPI für Quantenoptik, dem Max-Born-Institut für nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie sowie der LMU München haben eine neue Technik zur Entschlüsselung der Eigenschaften von Licht und Materie entwickelt, die gleichzeitig viele Substanzen mit hoher chemischer Selektivität nachweisen und genau quantifizieren kann. Atome und Moleküle können damit im ultravioletten Spektralbereich bei sehr schwachen Lichtstärken analysiert werden. Dieser Fortschritt ebnet damit auch den Weg für neuartige Anwendungen der Photonendiagnostik, unter anderem auch die Präzisionsspektroskopie einzelner Atome oder Moleküle für grundlegende Tests der Physik oder der UV-Photochemie in der Erdatmosphäre oder im Weltraum.

Die Ultraviolett-Spektroskopie spielt eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung von elektronischen Übergängen in Atomen und rovibronischen Übergängen in Molekülen. Diese Untersuchungen sind unerlässlich für Präzisionsmessungen, Tests der fundamentalen Physik, der Theorie der Quantenelektrodynamik, der Bestimmung fundamentaler Konstanten, optischer Uhren, hochauflösender Spektroskopie zur Unterstützung der Atmosphärenchemie und der Astrophysik sowie der Starkfeldphysik unerlässlich. Das Team hat jetzt erfolgreich hochauflösende lineare Absorptions-Doppelkamm-Spektroskopie im ultravioletten Spektralbereich implementiert. Diese wegweisende Technik eröffnet neue Möglichkeiten für die Durchführung von Experimenten unter Schwachlichtbedingungen und ebnet den Weg für neue Anwendungen in verschiedenen wissenschaftlichen und technologischen Bereichen.

Die Doppelkamm-Spektroskopie, eine leistungsstarke Technik für präzise Spektroskopie über eine große spektrale Bandbreite, wurde bisher hauptsächlich für die lineare Infrarotabsorption kleiner Moleküle in der Gasphase eingesetzt. Sie beruht auf der Messung der zeitabhängigen Interferenz zwischen zwei Frequenzkämmen mit leicht unterschiedlichen Wiederholfrequenzen. Ein Frequenzkamm ist ein Spektrum gleichmäßig verteilter, phasenkohärenter Laserlinien, das wie ein Lineal wirkt, um die Frequenz des Lichts mit äußerster Präzision zu messen. Die Doppelkammtechnik leidet nicht unter den geometrischen Beschränkungen, die mit herkömmlichen Spektrometern verbunden sind, und bietet ein großes Potenzial für hohe Präzision und Genauigkeit.

Für die Doppelkamm-Spektroskopie sind jedoch in der Regel intensive Laserstrahlen erforderlich, so dass sie sich weniger für Szenarien eignet, in denen geringe Lichtstärken entscheidend sind. Das Team hat jetzt experimentell gezeigt, dass die Zweikamm-Spektroskopie auch bei schwachem Licht effektiv ist, und zwar bei Leistungen, die mehr als eine Million Mal schwächer sind als die üblicherweise verwendeten. Dieser Durchbruch wurde mit zwei unterschiedlichen Versuchsaufbauten mit verschiedenen Arten von Frequenzkammgeneratoren erzielt. Das Team entwickelte ein Interferometer, das die Statistik der Photonenzählung genau aufzeichnet und ein Signal-Rausch-Verhältnis an der Fundamentalgrenze aufweist. Diese Errungenschaft unterstreicht die optimale Nutzung des verfügbaren Lichts für Experimente und eröffnet die Aussicht auf Zweikamm-Spektroskopie in anspruchsvollen Szenarien, in denen niedrige Lichtstärken unerlässlich sind.

Die Erzeugung ultravioletter Frequenzkämme und der Bau von Doppelkamm-Interferometern mit langen Kohärenzzeiten sind mit einigen Herausforderungen verbunden. Diese erfolgreich zu meistern, hat nun den Weg für weitere Fortschritte auf diesem begehrten Gebiet geebnet. Es gelang dem Team, die Kohärenz von zwei Kammlasern mit einem Femtowatt pro Kammlinie hochgradig zu kontrollieren und einen optimalen Aufbau der Zählstatistik ihres Interferenzsignals über Zeiten von mehr als einer Stunde nachzuweisen.

Eine spannende künftige Anwendung ist die Entwicklung der Doppelkamm-Spektroskopie bei kurzen Wellenlängen, um präzise Molekülspektroskopie im Vakuum- und Extrem-UV-Bereich über weite Spektralbereiche zu ermöglichen. Gegenwärtig ist die Breitband Spektroskopie im Extrem-UV-Bereich in Bezug auf Auflösung und Genauigkeit begrenzt und benötigt einzigartige Instrumente in spezialisierten Einrichtungen.

MPQ / MBI / RK