Neue breitbandige UV-Frequenzkämme liefern eine beispiellose spektrale Auflösung

Forscher haben eine neue ultraschnelle Laserplattform entwickelt, die ultrabreitbandige ultraviolette (UV) Frequenzkämme mit einer beispiellosen Million Kammlinien erzeugt und so eine außergewöhnliche spektrale Auflösung bietet. Der neue Ansatz, der zudem äußerst präzise und stabile Frequenzen erzeugt, könnte die hochauflösende Atom- und Molekülspektroskopie verbessern.

Optische Frequenzkämme, die Tausende gleichmäßig verteilte Spektrallinien aussenden, haben Bereiche wie die Metrologie, Spektroskopie und die präzise Zeitmessung mithilfe optischer Atomuhren verändert und ihnen 2005 den Nobelpreis für Physik eingebracht.

Die anfänglichen Frequenzkämme arbeiteten im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich. Schon bald nach ihrer Einführung wurde ihr Spektralbereich durch die Erzeugung optischer Harmonischer auf den UV-Bereich erweitert und damit den Weg für einen neuen Spektralbereich für die Präzisionslaserspektroskopie geebnet.

„Dennoch bleibt es eine erhebliche Herausforderung, sowohl eine Breitbandabdeckung als auch eine hohe spektrale Auflösung im UV-Bereich zu erreichen“, sagte Konstantin Vodopyanov, Leiter des Forschungsteams am CREOL, College of Optics and Photonics der University of Central Florida.

In OptischDie Forscher beschreiben ihr hochauflösendes Doppelkamm-Spektroskopiesystem, das Licht über zwei ultrabreite UV-Spektralbereiche erzeugt. Bei einem Zeilenabstand von nur 80 MHz verfügen die Frequenzkämme über ein Auflösungsvermögen von bis zu 10 Millionen.

„Breitbandige, hochauflösende UV-Spektroskopie liefert einzigartige Informationen über elektronische Übergänge in Atomen und Molekülen und ist daher von unschätzbarem Wert für Anwendungen wie die chemische Analyse, Photochemie, den Nachweis atmosphärischer Spurengase und die Erforschung von Exoplaneten, bei denen der gleichzeitige Nachweis vieler Absorptionsmerkmale unerlässlich ist.“ “ sagte Wodopjanow.

Doppelkammspektroskopie

Um UV-Frequenzkämme mit einer Million eng beieinander liegender Spektrallinien für Spektroskopieanwendungen nutzen zu können, benötigten die Forscher eine Methode, die eine hohe spektrale Auflösung erreichen konnte, die über die Möglichkeiten bestehender Spektrometer hinausgeht.

Sie wandten sich der Doppelkammspektroskopie zu, einer leistungsstarken neuen Technik, die zwei Frequenzkämme mit leicht unterschiedlichen Linienabständen auf einem einzigen Detektor kombiniert und so Interferogramme erzeugt. Durch die Anwendung einer Fourier-Transformation kann das gesamte Spektrum mit außergewöhnlich hoher spektraler Auflösung und schneller Datenerfassung rekonstruiert werden.

„Obwohl die Doppelkammspektroskopie im letzten Jahrzehnt erhebliche Fortschritte im mittleren Infrarot- und Terahertz-Bereich gemacht hat, besteht weiterhin eine bemerkenswerte Lücke im UV-Spektralbereich, wo bestehende Demonstrationen in Bezug auf Auflösung, Bandbreite oder beides unzureichend sind.“ Sagte Vodopianov.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben Forscher eine Laserplattform entwickelt, die hochkohärente ultraschnelle Infrarotimpulse mit einer Wellenlänge von 2,4 µm erzeugt.

Mit einem nichtlinearen Kristall erzeugten sie die 6. und 7. Harmonische, wodurch zwei UV-Bänder entstanden: Die 6. Harmonische umfasste etwa 1.000.000 spektral aufgelöste Kammlinien und die 7. Harmonische enthielt etwa 550.000. Dies ergab zwei UV-Spektralbereiche von 372 bis 410 nm und 325 bis 342 nm.

Um die Doppelkammspektroskopie zu ermöglichen, replizierten sie das Breitband-UV-Frequenzkammsystem und ermöglichten so eine weitere Verfeinerung der UV-Kammstruktur.

Präzise Spektrallinien

Indem sie die Spektrallinien auf eine Atomuhr bezogen, stellten die Forscher sicher, dass sie hochpräzise spektroskopische Messungen durchführen konnten, die für die anspruchsvollsten Anwendungen geeignet waren.

Zur Demonstration verwendeten sie das Doppelkamm-Spektroskopiesystem, um das schmale Reflexionsspektrum eines Volumen-Bragg-Gitterspiegels von IPG/OptiGrate zu messen. Das neue System erreichte ein Auflösungsvermögen von 10.000.000, was den Forschern zufolge den bestehenden Gitter- und Fourier-Spektrometern weit überlegen ist.

Anschließend wollen die Forscher die Technologie auf noch tiefere UV-Bereiche ausweiten, möglicherweise bis zu einer Wellenlänge von 100 nm.