Projekt »COSPA – Comb Spectroscopy for Process Applications«

Ziel der Forschungen im Projekt »COSPA« ist es, die Frequenzkamm-Technologie für die breitbandige Molekülspektroskopie in der Echtzeit-Prozessanalytik nutzbar zu machen. Entstehen soll ein leistungsfähiges Werkzeug als Ergänzung oder Alternative zur weit verbreiteten FTIR-Spektroskopie, das sowohl im Labor als auch in der Industrie eingesetzt werden kann. In den vergangenen Jahren gelang es, auf Basis der Frequenzkamm-Technologie Moleküle und Atome immer genauer und schneller spektroskopisch zu messen. Frequenzkämme im sichtbaren und nah-infraroten Spektralbereich sind heute kommerziell verfügbar. Der mittlere Infrarot- Spektralbereich (2-20 µm) ist dagegen noch wenig erschlossen. Genau dort jedoch weisen die meisten Moleküle starke Schwingungsbanden auf.
Das Kooperationsprojekt zwischen Fraunhofer IPM und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik Garching soll die Brücke schlagen von Grundlagenarbeiten an neuen Frequenzkämmen hin zu messtechnischen Anwendungen. Im Rahmen von »COSPA« werden neuartige Doppel-Frequenzkamm-Systeme für den Wellenlängenbereich von 3-5 µm entwickelt, die ohne modengekoppelten Pulslaser auskommen. Dazu werden grundlegende Forschungen zu nichtlinearen Frequenzkamm-Generatoren und interferometrischen oder heterodynen Detektoren durchgeführt. Die Erfahrungen am Institut im Bereich der nichtlinearen Frequenzkonversion sollen genutzt werden, um Schlüsselkomponenten für kompakte Geräte zu entwicken, darunter Frequenzkamm-Generatoren basierend auf Mikroresonatoren mit Nichtlinearitäten zweiter Ordnung und Detektoren basierend auf nichtlinearer Hochkonversion. Damit soll eine große Detektionsbandbreite und ein großer Spektralbereich im mittleren Infrarot abgedeckt werden. Ausgehend von diesen Komponenten soll eine neue Generation von Spektroskopie-Werkzeugen entstehen, die schnell und sensitiv genug für den Einsatz im wissenschaftlichen Labor und gleichzeitig robust genug für den Einsatz im industriellen Umfeld sind und die Messtechnik in Bereichen wie der industriellen Prozesskontrolle, der Chemie oder Biomedizin erweitern.

Projektfinanzierung

Das Projekt »COSPA« wird als Fraunhofer-Max-Planck-Kooperationsprojekt von der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert.

Projektpartner

• Max-Planck-Institut für Quantenoptik MPQ
• Fraunhofer IPM

Projektlaufzeit

1.1.2017 bis 31.12.2020

Hintergrund

Frequenzkämme: Optische Lineale

Ein Frequenzkamm (frequency comb, FC) ist eine Laserlichtquelle, die Licht mit einer Vielzahl sehr eng benachbarter Spektrallinien emittiert, deren Frequenzabstand immer gleich und genau bekannt ist. Daher der Name Frequenzkamm. Mithilfe eines Frequenzkamms lässt sich die Frequenz elektromagnetischer Strahlung sehr präzise messen, sodass man auch von einem »optischen Lineal« spricht. Der Bau eines Frequenzkamms ist aufwendig, da viele optische Bauelemente benötigt werden. Mittlerweile gibt es verschiedene Ansätze, Frequenzkämme auch mithilfe von Mikroresonatoren zu erzeugen.

Die Entwicklung der Frequenzkamm-Technologie begann vor mehr als 20 Jahren und gilt als bahnbrechend vor allem für die Frequenzmesstechnik. Ihre maßgeblichen Erfinder, Prof. Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenphysik und sein US-Kollege John Hall erhielten 2005 den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeiten zu optischen Frequenzkamm-Generatoren. Seither hat der Einsatz der Technik u.a. in der Molekülspektroskopie zu deutlichen Fortschritten geführt, was Messgeschwindigkeit, Auflösung und Genauigkeit betrifft. Bei der Spektroskopie kommt dem mittleren Infrarot besondere Bedeutung zu, denn viele Moleküle besitzen charakteristische Spektrallinien in diesem Bereich.