Forschungsteam entwickelt mithilfe eines abstimmbaren Lasers eine einfache Breitband-Spektroskopiemethode mit Hz-Präzision

Seit der ersten Demonstration des Lasers in den 1960er Jahren ist die Laserspektroskopie zu einem unverzichtbaren Instrument für die Untersuchung der detaillierten Strukturen und Dynamiken von Atomen und Molekülen geworden. Fortschritte in der Lasertechnologie haben ihre Möglichkeiten weiter verbessert. Es gibt zwei Haupttypen der Laserspektroskopie: die auf Frequenzkämmen basierende Laserspektroskopie und die abstimmbare Dauerstrich-Laserspektroskopie (CW).

Die kammbasierte Laserspektroskopie ermöglicht äußerst präzise Frequenzmessungen mit einer Genauigkeit von bis zu 18 Stellen. Diese bemerkenswerte Präzision wurde 2005 mit einem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet und findet Anwendung in optischen Uhren, der Schwerkraftmessung und der Suche nach dunkler Materie. Frequenzkämme ermöglichen außerdem hochpräzise Breitbandspektroskopie mit hoher Geschwindigkeit, da sie eine große Bandbreite mit einer hohen spektralen Auflösung kombinieren.

Ein Nachteil ist jedoch die geringe Leistung pro Kammmodus, die die Erkennung von Spurengasen erschwert. Die Lücken zwischen den Kammmodi erfordern außerdem zusätzliche Techniken zur Messung spektral enger Merkmale. Darüber hinaus erfordern hochpräzise Messungen Kammquellen mit Langzeitkohärenz, was komplexe und anspruchsvolle Stabilisierungssysteme erfordert.

Abstimmbare CW-Laser bieten einen hohen Photonenfluss, lange Interaktionswege und Frequenzagilität, was sie ideal für empfindliche Molekülspektroskopie, Gassensorik und LIDAR-Anwendungen mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) macht. Diese Systeme leiden jedoch häufig unter Schwankungen in der Scangeschwindigkeit der Laserfrequenz.

Um diese Schwankungen zu bewältigen, wurden verschiedene Methoden entwickelt, darunter interferometrische Ansätze, Einseitenbandmodulation und optische Frequenzkämme. Die frequenzkammkalibrierte abstimmbare Laserspektroskopie kombiniert die Genauigkeit eines Frequenzkamms mit der Abstimmbarkeit und hohen Leistung eines CW-Lasers. Allerdings erfordert diese Methode einen Referenzfrequenzkamm mit einem flachen optischen Spektrum und stabiler Polarisation über einen weiten Bereich, was eine Herausforderung sein kann.

Forscher am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts haben eine neue, unkomplizierte Methode der Breitband-Spektroskopie mit Hz-Präzision unter Verwendung eines durchstimmbaren Lasers entwickelt.

Wie berichtet In Fortgeschrittene PhotonikDiese Technik beinhaltet eine Kalibrierung der Laserfrequenz im laufenden Betrieb mithilfe einer Faserkavität und einer dualen Radiofrequenz-Modulationstechnik (RF). Dieser Ansatz ermöglicht die präzise Verfolgung der Farbe des Lasers zu jedem Zeitpunkt. Er bietet Kalibrierungsmarkierungen, die als einfach zu verwendendes optisches Frequenzlineal dienen, um optische Frequenzabstände zwischen spektralen Merkmalen mit ultrahoher Präzision zu messen.

Mit dieser Methode maßen die Forscher winzige Abweichungen im freien Spektralbereich einer Faserschleifenkavität über einen Frequenzbereich von 11 THz mit einer Genauigkeit von unter 10 Hz, was eine um eine Größenordnung bessere Verbesserung gegenüber bestehenden Methoden der abstimmbaren Laserspektroskopie darstellt. Die Messgeschwindigkeit betrug 1 THz/s und war durch die Linienbreite der Referenzkavität begrenzt. Im Vergleich zur auf Frequenzkämmen basierenden Spektroskopie bietet diese Technik eine höhere optische Sondenleistung sowie eine bessere spektrale Flachheit und Polarisationsstabilität.

Die neue Methode wurde auch verwendet, um spektrale Merkmale integrierter photonischer Geräte wie Mikroresonatoren zu charakterisieren und das molekulare Absorptionsspektrum von HF-Gas zu messen, wobei die Genauigkeit im Vergleich zu bestehenden Methoden um zwei Größenordnungen verbessert wurde. Diese robuste und unkomplizierte Methode erfordert keine Modus- oder Phasenkopplung und eignet sich daher für Anwendungen außerhalb des Labors, darunter LIDAR-Systeme, 3D-Bildgebung, Open-Path-Spurengaserkennung, Charakterisierung photonischer Geräte und Kalibrierung astrophysikalischer Spektrometer. Aufgrund ihrer Einfachheit und Robustheit ist sie eine ausgezeichnete Wahl für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen.