Optische Quantensensorik

Infrarotspektroskopie ohne Infrarotdetektoren

Im mittelinfraroten Spektralbereich liegen besonders viele Informationen über die Zusammensetzung einer spektroskopischen Probe. Detektoren für diesen Bereich sind jedoch in der Regel technologisch komplex, teuer und müssen zudem oft gekühlt werden. Im sichtbaren bis nahinfraroten Spektralbereich stehen hingegen leistungsfähige und günstige Silizium-Detektoren zur Verfügung. Interferenzeffekte von korrelierten Photonenpaaren ermöglichen Infrarotspektroskopie durch Detektion von sichtbarem Licht. In unserem Team »Nichtlineare Optik und Quantensensorik« forschen wir an der Nutzung dieser Quantentechnologie zur leistungsfähigen spektroskopischen Analytik.

Q-FTIR Quanten-Fourier-Transform-Spektrometer
© Fraunhofer IPM
Der Q-FTIR Demonstrator verbindet Quantentechnologie mit klassischer Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie. Das Ergebnis ist ein leistungsfähiges Messystem für die Infrarotspektroskopie mit »undetektierten« Photonen.

Messen mit »undetektierten Photonen«

Herzstück der Technologie ist die korrelierte Photonenquelle. Hierbei handelt es sich um einen nichtlinear-optischen Kristall, in dem sich Photonen eines Pumplaserstrahls in zwei korrelierte Photonen »aufspalten« können, genannt Signal und Idler. Das Idlerphoton liegt dabei im Infrarot-Spektralbereich (für die Spektroskopie), das zugehörige Signalphoton im Sichtbaren oder Nahinfraroten (zur Detektion).

In einem nichtlinearen Interferometer wird das Licht aus zwei solcher Photonenquellen überlagert. Da die Signal- bzw. die Idlerphotonen der beiden Prozesse nicht unterscheidbar sind, kommt es jeweils zur Interferenz. Absorbiert nun eine Probe mittelinfrarote Idlerphotonen aus dem ersten Prozess, so werden die Lichtquellen unterscheidbar und der Idler-Interferenzkontrast nimmt ab. Da Signal- und Idlerphotonen korreliert sind, verringert sich ebenso der Signal-Interferenzkontrast. Daher ist es möglich, die Transmission der Probe für das mittelinfrarote Idler-Licht allein durch die Detektion des (sichtbaren oder nahinfraroten) Signal-Interferenzmusters zu bestimmen. Dieser Quanteneffekt kann für verschiedene Messungen mit »undetektierten Photonen« genutzt werden.

Das Quanten-Fourier-Transform-Spektrometer

Das am Fraunhofer IPM entwickelte Quanten-Fourier-Transform-Spektrometer Q-FTIR ermöglicht präzise Spektroskopie im mittleren Infrarot bei nahinfraroter Lichtdetektion. Dazu genügen extrem geringe Lichtleistungen auf der Probe – mehr als sechs Größenordnungen weniger Infrarot-Leistung als ein klassisches Fourier-Transform-Spektrometer. Das Q-FTIR arbeitet nach demselben Messprinzip wie klassische Geräte und erreicht somit hohe spektrale Auflösungen. Im Rahmen des Fraunhofer Leitprojekts QUILT wurde ein leistungsfähiger, mobiler Demonstrator zur spektroskopischen Analytik realisiert.

 

Leitprojekt »QUILT«

Das Leitprojekt »QUILT« bündelt hervorragende wissenschaftliche Expertise, Technologieplattformen und große Marktkenntnis von sechs Fraunhofer-Instituten mit der wissenschaftlichen Exzellenz weltweit führender quantentechnologischer Einrichtungen.

 

Presseinformation / 3.1.2022

Quantenimaging:
Die Grenzen der Optik verschieben

Neue Verfahren für die Bildgebung, Mikroskopie und Spekroskopie auf Basis von Quantentechnologie standen im Zentrum des Fraunhofer-Leitprojekts QUILT.  Fraunhofer IPM entwickelte im Rahmen des Projekts das Quanten-Fourier-Transform-Spektrometer Q-FTIR  – quantenoptische Pendant zum klassischen Fourier-Transform-Spektrometer.

Laser 2022: Dr. Simon Herr erklärt in aller Kürze, wie unser Quanten-Fourier-Transform-Spektrometer funktioniert.

Auf der Laser World of Photonics haben wir erstmals unser Q-FTIR für die Gasspektroskopie im mittleren Infrarot vorgestellt.

Publikationen »Optische Quantensensorik«

Jahr
Year
Titel/Autor:in
Title/Author
Publikationstyp
Publication Type
2022 Accurate, high-resolution dispersive Fourier-transform spectroscopy with undetected photons
Lindner, Chiara; Kunz, Jachin; Herr, Simon J.; Kießling, Jens; Wolf, Sebastian; Kühnemann, Frank
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Nonlinear interferometers for Fourier-transform infrared spectroscopy with visible light
Lindner, Chiara; Kunz, Jachin; Wolf, Sebastian; Kießling, Jens; Kühnemann, Frank
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2020 Nonlinear interferometers for broadband mid-infrared spectroscopy
Lindner, Chiara; Wolf, Sebastian; Kießling, Jens; Kühnemann, Frank
Konferenzbeitrag
Conference Paper
Diese Liste ist ein Auszug aus der Publikationsplattform Fraunhofer-Publica

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