Neue Hochgeschwindigkeitsmethode für spektroskopische Messungen

23.06.2021 - Finnland

Forscher der Universität Tampere und ihre Mitarbeiter haben gezeigt, wie spektroskopische Messungen viel schneller durchgeführt werden können. Indem sie die Polarisation mit der Farbe eines gepulsten Lasers korrelieren, kann das Team Änderungen im Spektrum des Lichts durch einfache und extrem schnelle Polarisationsmessungen verfolgen. Die Methode eröffnet neue Möglichkeiten, spektrale Änderungen auf einer Nanosekunden-Zeitskala über das gesamte Farbspektrum des Lichts zu messen.

In der Spektroskopie werden häufig die Änderungen der Wellenlänge, d.h. der Farbe, eines Sondenlichts nach Wechselwirkung mit einer Probe gemessen. Die Untersuchung dieser Änderungen ist eine der wichtigsten Methoden, um ein tieferes Verständnis für die Eigenschaften von Materialien bis hinunter auf die atomare Ebene zu erlangen. Die Anwendungen reichen von astronomischen Beobachtungen über Materialstudien bis hin zu grundlegenden Untersuchungen von Atomen und Molekülen.

Das Forschungsteam hat eine neuartige spektroskopische Methode demonstriert, die das Potenzial hat, Messungen auf Ausleseraten zu beschleunigen, die mit herkömmlichen Verfahren unmöglich sind.

Ein tiefer Blick ins einzelne Molekül

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Spektroskopische Messungen beruhen in der Regel auf der Trennung der verschiedenen Farbkomponenten an verschiedenen Positionen, an denen das Spektrum dann von einem Detektor-Array, ähnlich wie bei einem Kamerachip, ausgelesen werden kann. Dieser Ansatz ermöglicht zwar eine direkte Betrachtung des Spektrums, ist aber aufgrund der begrenzten Geschwindigkeit des großen Auslese-Arrays eher langsam. Die neue Methode, die die Forscher implementierten, umgeht diese Einschränkung, indem sie einen komplexeren Zustand des Laserlichts erzeugt und dadurch ein schnelleres Messschema ermöglicht.

"Unsere Arbeit zeigt einen einfachen Weg, um unterschiedliche Polarisationen für alle Farbkomponenten des Lasers zu haben. Indem wir dieses Licht als Sonde verwenden, können wir einfach die Polarisation messen, um Informationen über Veränderungen im Farbspektrum zu erhalten", erklärt Doktorandin Lea Kopf, Hauptautorin der Studie.

Der Trick, den die Forscher anwenden, besteht darin, eine Modulation im zeitlichen Bereich durchzuführen, indem sie einen Femtosekundenpuls eines Lasers kohärent in zwei Teile aufspalten, die jeweils eine andere, zeitlich leicht verzögerte Polarisation aufweisen.

"Eine solche Modulation lässt sich leicht mit einem doppelbrechenden Kristall durchführen, in dem sich unterschiedlich polarisiertes Licht unterschiedlich schnell ausbreitet. Das führt zu der für unsere Methode benötigten spektral wechselnden Polarisation", beschreibt Associate Professor Robert Fickler, der die Gruppe Experimentelle Quantenoptik leitet, in der das Experiment durchgeführt wurde.

Spektroskopische Messungen mit hoher Geschwindigkeit

Die Forscher haben nicht nur demonstriert, wie sich solche komplexen Lichtzustände im Labor erzeugen lassen, sondern auch deren Anwendung bei der Rekonstruktion von Spektraländerungen allein durch Polarisationsanalyse getestet. Da für letzteres nur bis zu vier gleichzeitige Intensitätsmessungen nötig sind, können wenige, sehr schnelle Photodioden eingesetzt werden.

Mit diesem Ansatz können die Forscher den Effekt von schmalbandigen Modulationen des Spektrums mit einer Präzision bestimmen, die mit der von Standardspektrometern vergleichbar ist, aber mit hoher Geschwindigkeit. "Allerdings konnten wir unser Messschema hinsichtlich der möglichen Ausleseraten nicht bis an die Grenzen ausreizen, da wir durch die Geschwindigkeit unseres Modulationsschemas auf einige Millionen Samples pro Sekunde beschränkt sind", so Lea Kopf weiter.

Aufbauend auf diesen vielversprechenden ersten Ergebnissen werden zukünftige Aufgaben darin bestehen, die Idee auf mehr breitbandiges Licht, wie z.B. Superkontinuum-Lichtquellen, anzuwenden und das Schema in spektroskopischen Messungen von natürlich schnell variierenden Proben einzusetzen, um sein volles Potenzial zu nutzen.

"Wir freuen uns, dass unser grundsätzliches Interesse an der Strukturierung von Licht auf unterschiedliche Weise nun eine neue Richtung gefunden hat, die für Spektroskopieaufgaben, die normalerweise nicht in unserem Fokus stehen, hilfreich zu sein scheint. Als Quantenoptik-Gruppe haben wir bereits begonnen zu diskutieren, wie wir diese Ideen in unseren Quantenphotonik-Experimenten anwenden und nutzen können", ergänzt Robert Fickler.

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