Doppel-Frequenzkamm-Spektroskopie

Frequenzkämme sind ein neuartiges, vielversprechendes Werkzeug, um Gase schnell und breitbandig zu messen. Auch mehrere unterschiedliche Gase können mit einer einzigen Messung bestimmt werden.

Frequenzkämme

Frequenzkamm-Spektroskopie, insbesondere die Doppel-Frequenzkamm-Spektroskopie, ist eine neuartige Technik, die sich zur schnellen, präzisen und breitbandigen Messung an einer Vielzahl an Absorbern anbietet. So ist es zum Beispiel möglich, die Konzentration mehrerer Gase mithilfe einer Einzelmessung in weniger als 1 Millisekunde zu bestimmen. Dabei bietet die Doppel-Frequenzkamm-Spektroskopie eine große Flexibilität für den besten Kompromiss aus Messgeschwindigkeit, Messgenauigkeit und Anzahl der zu messenden Stoffe. Fraunhofer IPM hat sich zum Ziel gesetzt, diese Technologie für die Prozessmesstechnik einfach zugänglich und nutzbar zu machen. Daher legen wir unsere Forschungsschwerpunkte im Rahmen des Projekts COSPA auf die Bereiche Frequenz-Kamm-Erzeugung, Frequenz-Konversion und parallele, schnelle Messung mehrerer Gaskomponenten einer Probe. Ein besonderes Augenmerk liegt auf größtmöglicher Flexibilität zur Messung von Gasen im mittleren Infrarot, da Gasmoleküle in diesem Wellenlängenbereich starke und charakteristische Spektrallinien aufweisen.

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. Die Entwicklung von Frequenzkämmen begann vor mehr als 20 Jahren und gilt als bahnbrechend. 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.

Doppel-Frequenzkamm-Systeme: Multi-Heterodyne Spektrometer

Die Verwendung zweier Frequenzkämme ermöglicht ein multi-heterodynes Messverfahren, bei dem ein Kamm mit einem zweiten überlagert wird. Sind die Spektrallinien des einen Kammes zu den Spektrallinien des zweiten versetzt, kommt es zur Schwebung oder auch periodischen Intensitätsänderung, die ähnlich wie in der Fourier-Transform-Spektroskopie ausgewertet werden kann. Somit tritt ein einzelner Photodetektor an die Stelle, wo sonst ein klassisches Spektrometer verwendet werden müsste. Dies ist für die Gasspektroskopie zusätzlich von Vorteil, da das Messverfahren Limitierungen klassischer Spektrometer umgeht und eine frei wählbare Frequenz-Auflösung im Bereich von wenigen hundert MHz erlaubt. Vergleicht man dies mit typische Breiten von Gasabsorptionen unter Atmosphärenbedingungen liegen diese im einstelligen GHz Bereich.

Forschungsschwerpunkt: Doppel-Kamm-Erzeugung

Der Bau eines einzelnen Frequenzkamms ist aufwendig, da viele hochgradig kontrollierbare Bauelemente benötigt werden. Die Kontrollanforderungen steigen für die Doppel-Frequenzkamm-Technik durch die zusätzlich notwendige Synchronisation der beiden Einzelkämme. Vielversprechend für den Einsatz außerhalb von Laborumgebungen sind Frequenz-Kämme, die aus einer gemeinsamen Quelle abgeleitet werden können, da hier die Synchronisation erheblich vereinfacht ist. Vor diesem Hintergrund generieren wir zwei Frequenzkämme über elektrooptische Modulation aus einem einzigen Dauerstrichlaser und verbreitern sie spektral in einem weiteren Schritt über nichtlineare Effekte in einer Faser.

Forschungsschwerpunkt: Konversion ins Mittelinfrarote

Für die Gasspektroskopie geeignete Frequenz-Kämme werden typischerweise im nahen Infrarot erzeugt, und sind somit nur für Gase, die in diesem Spektralbereich Absorptionen aufweisen, einsetzbar. Es ist daher nach derzeitigem Stand der Technik unumgänglich, diese Frequenz-Kämme mittels nichtlinearer Prozesse wie der Differenz-Frequenz-Mischung in den gewünschten Spektralbereich zu konvertieren. Bei der Spektroskopie kommt dem mittleren Infrarot besondere Bedeutung zu, denn viele Moleküle besitzen dort charakteristische Spektrallinien. Für den MIR-Bereich entwickeln wir ein Konversions-Modul, das in der Lage ist, einen einzelnen oder zwei überlagerte Frequenz-Kämme in einen beliebigen Spektralbereich von 3 µm bis 5 µm zu konvertieren. Wir können dabei auf langjährige Erfahrungen im Bereich der Erzeugung von abstimmbaren Laserquellen und der nichtlinearen Konversion verschiedenster Lichtquellen zurückgreifen.

Forschungsschwerpunkt: Mehrkomponenten-Analyse

Die hohe Frequenzauflösung und der große Spektralbereich, der in einer Einzelmessung abgedeckt werden kann, ist vielversprechend um Absorptionen unterschiedlicher Komponenten einer Probe trennen und somit eine isolierte Konzentrationsbestimmung durchführen zu können. Wir untersuchen daher zum einen die Möglichkeiten, die Konzentration mehrerer Gase, deren charakteristische Spektrallinien einen Überlapp aufweisen, gleichzeitig zu messen und zum anderen verschiedene Gase, die in unterschiedlichen Spektralbereichen absorbieren, durch zeitlich getrennte Messung zu bestimmen.