Forschung

Weltweit leistungsstärkstes Dual-Comb-Spektrometer entwickelt

03.06.2022 - Forscher sehen zahlreiche Anwendungen in Atmosphärenforschung und biomedizinischer Diagnostik.

Forscher der Universität der Bundeswehr Hamburg, des MPI für Quantenoptik München und der Universität München haben das weltweit leistungs­stärkste Dual-Comb-Spektrometer entwickelt, das den Weg für viele Anwendungen in der Atmosphären­forschung und der biomedi­zinischen Diagnostik, unter anderem auch für die Krebs­früh­erkennung, ebnet. Das Herzstück des Systems besteht aus einer speziellen Art von laser­aktivem Medium, einer dünnen Kristall­scheibe, und einem Laser­resonator, der dieses Medium umgibt.

„Der Schlüssel zu unserer Dual-Comb-Laserquelle liegt in ihrer Schlichtheit”, erklärt Teamleiter Oleg Pronin. „Anstatt zwei vonein­ander getrennte Laser zu verwenden, die jeweils aktiv stabilisiert und aneinander­gekoppelt werden müssen, stammen unsere beiden Laser­strahlen aus demselben Laser­resonator, was zu einer hervor­ragenden gegen­seitigen Stabilität führt.” Der Laser mit zwei Ausgängen liefert eine mehr als zehnfach höhere Leistung als alle bisherigen Dual-Comb-Laser­quellen.

Das ebnet den Weg für viele Anwendungen in der Atmosphären­forschung und in der biomedi­zinischen Diagnostik. Anwendungen in der Grund­lagen­forschung – wie die präzise Vermessung atomarer Spektral­linien in bisher unzugäng­lichen Wellen­längen­bereichen und Kernuhren, den potenziell genauesten Uhren in unserem Universum – kommen dank dieser neuartigen Laserquelle in Reichweite.

Die Dual-Comb-Laserquelle wandelt extrem schnell oszil­lierende elektrische Felder des Lichts in den Bereich der Radio­frequenzen um, wo das Signal mit moderner Elektronik in Echtzeit erfasst werden kann. Dieses Verfahren wird mit zwei über­lagerten Pulszügen von Laserpulsen mit leicht unter­schied­lichen zeitlichen Abständen realisiert. Es bietet eine hohe Empfind­lichkeit und subpiko­meter Auflösung mit schnellen Erfassungs­zeiten im Milli­sekunden­bereich.

Die erreichten Spitzenleistungen im Megawatt­bereich ebnen mittels Frequenz­konversion den Weg zur hoch­auf­lösenden Spektroskopie im tiefen ultra­violetten Frequenz­bereich – ein Spektral­bereich, der von den heutigen Spektrometern nur mit unzu­reichender Auflösung abgedeckt wird. Im Vergleich zu komplexen, aktiv stabi­li­sierten Laser­systemen vereinfacht die kompakte Größe des Lasersystems Anwendungen wie beispielsweise Spektroskopie der Atmosphäre und hoch­präzise Entfernungs­messungen enorm.

HSU / RK

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