Neuartige Glasfaser erzeugt ein sehr helles, kontinuierliches Lichtspektrum vom Ultravioletten bis zum Infraroten

Artistic impression of the spectrum of a mid-infrared pulse broadening in the background with the electric field of the generated pulse.
ICFO/L.Maidment, U. Elu & J. Biegert

Ein internationales Forscherteam hat eine Lichtquelle entwickelt, die ein durchgehendes Spektrum von 340 bis 40.000 Nanometer Wellenlänge liefert. Darüber berichten die Wissenschaftler jetzt in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Photonics.

Optische Analysemethoden sind lebenswichtig für unsere moderne Gesellschaft: Sie ermöglichen es, Substanzen in Gasen, Flüssigkeiten sowie Feststoffen schnell und sicher nachzuweisen. Diese Verfahren beruhen darauf, dass Licht in verschiedenen Bereichen des optischen Spektrums mit diesen Stoffen unterschiedlich wechselwirkt. Beispielsweise lassen sich im Ultravioletten Elektronenübergänge direkt beobachten, während Licht im Infraroten (Terahertz-Frequenzen) sich eignet, um Schwingungen in Molekülen zu messen.

In den vergangenen Jahren haben Wissenschaftler*innen verschiedene Verfahren für die hyperspektrale Spektroskopie und die entsprechende Aufnahmetechnik entwickelt. Das erlaubt es ihnen beispielsweise, das Verhalten von Molekülen zu beobachten, wenn sie sich falten, rotieren oder vibrieren. So können die Forscher*innen Molekülen, die eine Krebserkrankung signalisieren, Treibhausgasen, Schadstoffen oder anderen potenziell gefährlichen Substanzen auf die Spur kommen.

Diese hochempfindlichen Methoden haben sich bereits in vielen Anwendungsfeldern als sehr nützlich erwiesen, etwa in der Lebensmittelüberwachung, der biochemischen Sensorik oder in den Kulturwissenschaften, beispielsweise um die Strukturen historischer Objekte, Gemälde oder Skulpturen zu untersuchen.

Die Herausforderung war dabei immer, dass kompakte Lichtquellen fehlten, die einen großen Frequenzbereich mit ausreichender Helligkeit abdecken. Teilchenbeschleuniger können große Spektren abdecken. Doch sie besitzen nicht die gleiche hohe zeitliche Kohärenz wie Laser. Zudem handelt es sich bei diesen ringförmigen Synchrotonen um teure Großgeräte mit erheblichem Platzbedarf.

Jetzt ist es einem internationalen Team unter der Führung von Jens Biegert, ICREA Professor am Forschungszentrum ICFO in Barcelona, gelungen, mit Hilfe einer neuartigen gasgefüllten, photonischen Kristallfaser eine kompakte, sehr helle Lichtquelle zu schaffen. An den jetzt im Fachmagazin Nature Photonics veröffentlichten Arbeiten waren neben den Wissenschaftlern in Spanien Forscher vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen, von der Staatlichen Universität Kuban in Russland und vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin beteiligt. Das System von etwa der Größe einer Tischtennisplatte liefert ein sieben Oktaven umfassendes Spektrum, das von 340 bis 40.000 Nanometer Wellenlänge reicht. Das Licht ist dabei zwei bis fünf Größenordnungen heller als die Strahlung, die Synchrotone liefern.

Die Wissenschaftler arbeiten nun daran, die wenige Zyklen umfassende Pulsdauer des Lichts zu nutzen, um Prozesse in Substanzen mit hoher zeitlicher Auflösung zu untersuchen. Das eröffnet neue Möglichkeiten in der Molekularspektroskopie, der Physikalischen Chemie und der Festkörperphysik – um nur einige Beispiele zu nennen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Jens Biegert
Attoscience And Ultrafast Optics
ICFO – Institute of Photonic Sciences
E. jens.biegert@icfo.eu
T. +34 93 553 4059

Originalpublikation:

Ugaitz Elu, Luke Maidment, Lenard Vamos, Francesco Tani, David Novoa, Michael H. Frosz, Valeriy Badikov, Dmitrii Badikov, Valentin Petrov, Philip St. J. Russell and Jens Biegert, Seven-octave high-brightness and carrier-envelope-phase-stable light source. Nature Photonics, 2020. DOI: 10.1038/s41566-020-00735-1

Link: https://www.nature.com/articles/s41566-020-00735-1

http://www.mpl.mpg.de

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