Das leistungsstärkste Dual-Comb-Spektrometer der Welt

HSU

21. Juni 2023

Forschende aus Hamburg[1] und München[2][3] haben das weltweit leistungsstärkste Dual-Comb-Spektrometer entwickelt, das den Weg für viele Anwendungen in der Atmosphärenforschung und der biomedizinischen Diagnostik, z.B. in der Krebsfrüherkennung, ebnet.

HSU-HH/LTS

Zwei Pulszüge von Lasern mit leicht unterschiedlichen zeitlichen Abständen stammen vom dünnscheibenförmigen Lasermedium in der Mitte des Bildes. Die Arbeit wurde kürzlich in Nature Communications veröffentlicht. © Eric Schambroom, Patricia Bondia. Bildnutzung nur für die Berichterstattung über diese Pressemitteilung.

Das Herzstück des Systems besteht aus einer speziellen Art von laseraktivem Medium, einer dünnen Kristallscheibe, und einem Laserresonator, der dieses Medium umgibt (siehe Abbildung). „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. Dies ebnet den Weg für viele Anwendungen in der Atmosphärenforschung und in der biomedizinischen Diagnostik, z. B. in der Krebsfrüherkennung. 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 (10¹⁵ Schwingungen pro Sekunde) in den Bereich der Radiofrequenzen (10⁶ Schwingungen pro Sekunde) 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 sub-pikometer 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.

Dieser Artikel bezieht sich auf die folgende Veröffentlichung in Nature Communications:

“Fritsch, K., Hofer, T., Brons, J. et al. Dual-comb thin-disk oscillator. Nat Commun 13, 2584 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30078-0

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an:

Prof. Dr. Oleg Pronin

Fakultät für Elektrotechnik, Helmut Schmidt Universität Hamburg

[email protected]


[1] Helmut Schmidt Universität, Lehrstuhl für Lasertechnologie & Spektroskopie, Hamburg; www.hsu-hh.de/lts

[2] Max-Planck-Institut für Quantenoptik, München; www.mpq.mpg.de

[3] Attoworld-Team um Prof. Ferenc Krausz an der Ludwig-Maximilians Universität (LMU), München; www.attoworld.de