Single-Cavity Dual-Comb Laser

Das Forschungsfeld der Spektroskopie beschäftigt sich mit der zerstörungsfreien Bestimmung der Zusammensetzung von Gasen beziehungsweise der Detektion von Molekülen. Hierzu strahlt man breitbandiges Licht (also Licht verschiedener Farben) auf die zu messende Probe und beobachtet welche Farben des Lichts von der Probe „verschluckt“ (genauer absorbiert) werden. Aus diesem spezifischen Absorptions-Fingerabdruck lassen sich dann Rückschlüsse über die vorhandenen Gase bzw. deren Molekülstruktur ziehen.
Die oben beschriebene Methodik ist seit langem in vielen naturwissenschaftlichen Disziplinen etabliert und funktioniert sehr gut im Laborbetrieb und wenn nur ein geringes Auflösungsvermögen benötigt wird. Bei komplexen Gasmischungen, z.B. mit vielen verschiedene Gasen zusammen mit Spurengasen in kleinster Konzentration stößt die Methodik wegen des geringen Farbenunterscheidungsvermögens (Auflösungsvermögens) an Ihre Grenzen. Zudem sind herkömmliche Geräte relativ komplex und sperrig.
Mit der Erfindung des optischen Frequenzkammes wurde es möglich die Auflösung spektroskopischer Messungen drastisch zu erhöhen.
Einen Frequenzkamm kann man sich wie viele verschiedene Laser genau definierter Farben vorstellen. Das wohldefinierte Farb-Spektrum des Frequenzkammes erlaubt es genauere Rückschlüsse über das absorbierte Licht zu ziehen. Die Messgeräte welche auf dieser neuen Technologie basieren wurden allerdings komplexer und benötigen entweder ausgereifte Regelungsschleifen zur Stabilisierung des erzeugten Lichts oder weiterhin einen klobigen Aufbau für die Vermessung des Lichtes.
In diesem Projekt erforschen wir einen neuartigen Ansatz bei welchem zwei optische Frequenzkämme in einem Laser erzeugt werden. Diese beiden Frequenzkämme sind relativ zueinander stabil da sie aus der gleichen Quelle kommen. Nutzt man nun beide Frequenzkämme um ein Differenzsignal zu erzeugen, dann ist dieses Signal auch ohne Regelungsschleifen stabil genug für Anwendungen in der Absorptionsspektroskopie. Ein weiterer Vorteil dieser als „Dual-Comb“ Spektroskopie bekannten Messmethode ist, dass das benötigte Signal mit einem einfachen Lichtsensor erzeugt werden kann. Ein klobiger Detektor ist also nicht mehr nötig um hochauflösenden die Zusammensetzung komplexer gase zu bestimmen.
Mit diesem Projekt legen wir die Grundlagen für einfache hochauflösende Spektroskopie und untersuchen das Potential der neuen Methode Spektrometer zum Einsatz im freien Feld außerhalb einer dedizierten Laborumgebung. Mögliche Anwendungsfelder für dieses Spektrometer sind z.B. die Messung von Treibhausgasen in der Atmosphäre oder die Überwachung von Kontaminationen in industriellen Produktionsprozessen.