Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Frequenzkamm im Bereich molekularer Fingerabdrücke

23.02.2015

Ein Silizium-Nanodraht erzeugt als optischer Wellenleiter einen breitbandigen Frequenzkamm im mittleren Infrarot.

In einer in Nature Communications (20. Februar 2015) veröffentlichten Arbeit beschreibt eine internationale Forscher-Kollaboration um Frau Dr. Nathalie Picqué, Max-Planck Institut für Quantenoptik (MPQ) und Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) eine zuverlässige neue Technik zur Erzeugung eines breitbandigen optischen Frequenzkamms im mittleren infraroten Spektralbereich.


Wenn Laserlicht im mittleren Infrarot in einem Wellenleiter aus einem Silizium-Nanodraht von rechteckigem Querschnitt geleitet wird, führen starke nichtlineare Effekte zu einer dramatischen spektralen Verbreiterung, ohne die Kammstruktur des Eingangsspektrums zu zerstören.

Abt. Laserspektroskopie, MPQ

Das Spektrum eines Lasers wird dabei in einem als Wellenleiter dienenden lithographisch hergestellten Silizium-Nanodraht schon bei kleinen Pulsenergien so drastisch verbreitert, dass ein kohärenter Frequenzkamm entsteht, dessen spektrale Breite mehr als eine Oktave umspannt. Kollaborationspartner sind die Universität Gent (Belgien), das Interuniversity MicroElectronics Center (Belgien), die Universität von Auckland (Neuseeland) und das Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay (Frankreich).

Anfang der 2000er Jahre gelang es erstmals, extrem breitbandige „Superkontinua“ durch spektrale Verbreiterung von kurzen Laserpulsen in mikrostrukturierten Lichtleiterfasern zu erzeugen. Solche Superkontinua finden heute wichtige Anwendungen in verschieden Bereichen der Photonik, wie der optischen Kohärenztomographie, der optischen Nachrichtenübertragung, oder der Fluoreszenzmikroskopie.

Die Technik war auch der Schlüssel zur Erzeugung von kohärenten optischen Frequenzkämmen, die mehr als eine Oktave umspannen. Das Spektrum eines solchen Frequenzkammes besteht aus einer großen Zahl diskreter Spektrallinien, deren Linienabstand genau der Pulswiederholrate entspricht. Solche Frequenzkämme eignen sich zur präzisen Messung optischer Frequenzen, denn sie erlauben einen einfachen und direkten Vergleich von optischen Frequenzen mit der Radiofrequenz einer Atomuhr. In der Molekülspektroskopie lassen sich alle Kammlinien gleichzeitig nutzen, um komplexe, breitbandige Spektren sehr schnell und mit hoher Empfindlichkeit zu vermessen.

Frequenzkämme im sichtbaren und nah-infraroten Spektralbereich sind heute kommerziell verfügbar. Der mittlere infrarote Spektralbereich (2-20µm) ist dagegen noch wenig erschlossen. Dort findet man die starken fundamentalen Schwingungsbanden der meisten Moleküle und zwei spektrale Transmissionsfenster der Atmosphäre. Die Entwicklung photonischer Technologien für diesen wichtigen Spektralbereich wird vielerorts mit Nachdruck betrieben.

Viele Anwendungen in der Spektroskopie, den Materialwissenschaften, der Sicherheitstechnik, oder industriellen Prozesssteuerung, sowie der hochempfindliche Nachweis von Molekülen in der Chemie, Biologie oder Medizin würden unmittelbar von leistungsfähigeren photonischen Strahlquellen in mittleren Infraroten profitieren.

Insbesondere sind neue Strategien für die Erzeugung von Frequenzkämmen in dieser spektralen Region von grosser Bedeutung für die Molekülwissenschaften. Leider gibt es jedoch nur wenige Wellenleiter-Materialien, die sich dort für die Erzeugung breitbandiger Frequenzkämme bei niedrigen Schwellenenergien eignen, und die Lösung der technischen Probleme bleibt eine große Herausforderung.

Prof. Theodor Hänsch ist seit 1986 Direktor der Abteilung Laserspektroskopie am MPQ und Professor für Experimentalphysik an der Ludwig-Maximilians-Universität München. Im Jahr 2005 erhielt er den Nobelpreis für Physik, gemeinsam mit Roy Glauber und John Hall, für seine Arbeiten in der Präzisionslaserspektroskopie, wobei insbesondere die Entwicklung der Frequenzkammtechnik gewürdigt wurde. Seit 2006 wird seine Forschung von der Max-Planck-Förderstiftung und der Carl Friedrich von Siemens Stiftung unterstützt.

Ein Team von Wissenschaftlern am MPQ hat nun mit Erfolg einen neuen Weg zur Erzeugung breiter Frequenzkämme im mittleren Infrarot aufgezeigt. Hierfür nutzen sie CMOS-kompatible nanophotonische Silizium-Wellenleiter auf einem Silicon-on-Insulator Chip. Mit hochgradig nichtlinearen Wellenleitern mit ingenieurgerecht kontrollierter Dispersion konnten sie phasenkohärente Frequenzkämme mit mehr als einer Oktave Breite von 1500 bis 3300 nm erzeugen.

Im Gegensatz zu früheren Ansätzen sind die Wellenleiter chemisch stabil. Selbst nach mehreren Monaten wurden keine Änderungen im erzeugten Superkontinuum beobachtet. Nach weiterer Entwicklung sollte es möglich sein, auf Silizium-Basis bei Zimmertemperatur kohärente Frequenzkämme bis zu 8500 nm zu erzeugen. Auf längere Sicht könnten solche miniaturisierten Wellenleiter ein auf einem Chip integriertes Frequenzkamm-Spektrometer ermöglichen, das sich z.B. für den hochempfindlichen chemischen Spurennachweis eignet.

Originalveröffentlichung:
B. Kuyken, T. Ideguchi, S. Holzner, M. Yan, T.W. Hänsch, J. Van Campenhout, P. Verheyen, S. Coen, F. Leo, R. Baets, G. Roelkens, N. Picqué
An octave-spanning mid-infrared frequency comb generated in a silicon nanophotonic wire waveguide
Nature Communications 6: 6310, DOI: http://dx.doi.org/10.1038/ncomms7310
February 20th, 2015.

Kontakt:

Dr. Nathalie Picqué
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -290
E-Mail: nathalie.picque@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Harmonien in der Optoelektronik
21.07.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen
20.07.2017 | 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: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten