Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Echtzeit-Spurengasanalyse mit Frequenzkämmen

01.12.2009
Wissenschaftlerteam am MPQ analysiert breitbandige Absorptionsspektren von molekularen Spurengasen durch Kombination von zwei Frequenzkämmen mit einem Überhöhungsresonator.

Spurengase haben wegen ihrer hohen Reaktivität einen starken Einfluss auf chemische Abläufe, z.B. in der Atmosphäre, auch wenn sie nur in extrem kleinen Anteilen, etwa einem auf eine Milliarde Moleküle, vorkommen.

Ihr spektroskopischer Nachweis ist daher von höchstem Interesse. Gegenwärtig gibt es jedoch keine Instrumente, mit denen sich die breitbandigen Absorptionsspektren dieser komplexen Moleküle gleichzeitig schnell, empfindlich und mit hoher Auflösung gewinnen lassen. Eine Kollaboration [1] von Wissenschaftlern um Professor Theodor W. Hänsch (Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Ludwig-Maximilians-Universität München) und Dr. Nathalie Picqué (MPQ und Laboratoire de Photophysique Moléculaire du Centre National de la Recherche Scientifique, Orsay, Frankreich) sowie der Universität Tokyo (Chiba, Japan) hat nun ein neues, auf Frequenzkämmen basierendes Messgerät realisiert, das alle Anforderungen auf einmal erfüllt: es analysiert Spektren in einem großen Frequenzbereich schnell, hochempfindlich und hochauflösend. (Nature Photonics, AOP, January 2010 DOI:10.1038/nphoton.2009.217)

Das Spektrum von chemischen Elementen oder Verbindungen ist gleichsam ihr 'Fingerabdruck', über den sie identifiziert werden können. Bei komplexen Molekülen wird seine Analyse jedoch dadurch erschwert, dass es sehr viele auf Vibrations- und Rotationsschwingungen zurückgehende Linien enthält, die noch dazu schwach ausgeprägt sind. Die Verwendung eines sogenannten Frequenzkamms, für dessen Entwicklung Prof. Theodor W. Hänsch 2005 den Nobelpreis für Physik erhielt, bietet hier völlig neue Perspektiven: durch die präzise Kontrolle eines modengekoppelten Lasers wird ein Frequenzspektrum erzeugt, das sich über eine Oktave erstrecken kann und etwa eine Million Linien in exakt gleichem Abstand enthält. Damit ist es nun möglich, viele Übergänge des Moleküls auf einen Schlag anzuregen.

In dem hier beschriebenen Experiment wird das gesamte Spektrum eines ersten Frequenzkammes in einen Resonator hoher Güte eingekoppelt, der eine geringe Menge eines Spurengases enthält. Durch mehrfache Reflexionen innerhalb des Resonators wird die Strecke, auf der das Licht mit der Probe in Wechselwirkung treten kann, um ein Vielfaches verlängert. Dies verstärkt das molekulare Absorptionssignal um mehrere Größenordnungen. Das vom Resonator durchgelassene Licht weist ein breites Spektrum von Absorptionslinien auf. Für dessen Analyse wird nun ein zweiter Frequenzkamm verwendet, dessen Pulswiederholrate geringfügig von der des ersten abweicht. Die dadurch entstehenden Schwebungen bilden das optische Absorptionsspektrum der gasförmigen Probe ab. Dieses Fouriertransform-Spektrometer ohne bewegliche Komponenten ist eine Million Mal schneller als das in der analytischen Wissenschaft traditionell verwendete abtastende Michelson-Interferometer. Das hier beschriebene "Resonator-überhöhte Zwei-Kamm-Spektrometer" könnte eines der leistungsfähigsten Geräte in der hochempfindlichen Spektroskopie werden - ohne dass dabei auf hohe Auflösung, breitbandige Spektren und hohe Geschwindigkeit der Messung verzichtet werden muss.

Die Doktorandin Birgitta Bernhardt hat zusammen mit den Doktoranden Akira Ozawa und Patrick Jacquet ein Experiment durchgeführt, das die Umsetzbarkeit dieser Idee beweist. Mit Ytterbium-basierten Faserfrequenzkämmen, die bei einer Wellenlänge von 1040 nm (Nahes Infrarot) emittieren, war es erstmals möglich, das komplizierte Spektrum der Oberschwingungen von Ammoniak aufzulösen, einer Verbindung, die sowohl für Planetologen als auch für Umweltforscher von großem Interesse ist. Darüber hinaus wurde das Spektrum in nur 18 Mikrosekunden gemessen, d.h. 100 Mal schneller als mit der bislang modernsten Messtechnik, bei gleichzeitig zwanzig Mal höherer Empfindlichkeit. "Da wir so empfindliche Spektren alle zwanzig Mikrosekunden aufnehmen können, bietet unsere Methode ein unglaubliches Potential, um chemische Reaktionen spektroskopisch zu beobachten. Darüberhinaus können wir unser Konzept auf jeden beliebigen Bereich des elektromagnetischen Spektrums ausdehnen, insbesondere auf den mittleren Infrarotbereich, für den es zur Zeit noch keine guten Echtzeit-Methoden gibt. Hier würde die Verwendung der "Resonator-überhöhten Zwei-Kamm-Methode" garantieren, eine Vielzahl von z.B. für die Atomsphäre wichtigen Molekülen nachzuweisen, auch wenn sie nur in Konzentrationen von einem Millionstel Promille vorliegen", erklärt Birgitta Bernhardt.

Der hochempfindliche Nachweis von Spurengasen gewinnt in vielen Bereichen der angewandten Wissenschaften an Bedeutung, angefangen mit der Biomedizin bis hin zur Beobachtung der Umwelt oder der analytischen Chemie, Plasmaphysik und Laborspektroskopie zur Unterstützung der Astrophysik. Für die "Resonator-überhöhte Zwei-Kamm-Spektroskopie-Technik" ergeben sich hier immer neue Einsatzmöglichkeiten. [Olivia Meyer-Streng]

[1] Die Kollaboration zwischen dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik der Max-Planck-Gesellschaft und des Laboratoire de Photophysique Moléculaire du Centre National de la Recherche Scientifique wird im Rahmen des "European Laboratory for Frequency Comb Spectroscopy" European Associated Laboratory durchgeführt.

Originalveröffentlichung:
B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacquey, Y. Kobayashi, T. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T.W. Hänsch, N. Picqué,
Cavity-enhanced dual-comb spectroscopy,
Nature Photonics, Advance Online Publication, January 2010, doi:10.1038/ nphoton.2009.217
Kontakt:
Prof. Dr. Theodor W. Hänsch
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Tel.: +4989 32905 712
E-Mail: t.w.haensch@mpq.mpg.de
Dr. Nathalie Picqué
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
& Centre National de la Recherche Scientifique
Tel.: +4989 32905 290
E-Mail: nathalie.picque@u-psud.fr
Birgitta Bernhardt
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +4989 32905 295
E-Mail: birgitta.bernhardt@mpq.mpg.de
Dr. Olivia Meyer-Streng
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Presse & Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: +4989 32905 213
Fax: +4989 32905 200
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation
12.12.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Einmal durchleuchtet – dreifacher Informationsgewinn
11.12.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Im Focus: Electromagnetic water cloak eliminates drag and wake

Detailed calculations show water cloaks are feasible with today's technology

Researchers have developed a water cloaking concept based on electromagnetic forces that could eliminate an object's wake, greatly reducing its drag while...

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mit Quantenmechanik zu neuen Solarzellen: Forschungspreis für Bayreuther Physikerin

12.12.2017 | Förderungen Preise

Stottern: Stoppsignale im Gehirn verhindern flüssiges Sprechen

12.12.2017 | Biowissenschaften Chemie

E-Mobilität: Neues Hybridspeicherkonzept soll Reichweite und Leistung erhöhen

12.12.2017 | Energie und Elektrotechnik