Optische Analysemethoden sind für die moderne Gesellschaft unverzichtbar, da sie die schnelle und sichere Identifizierung von Substanzen in Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen ermöglichen. Diese Methoden basieren auf der unterschiedlichen Wechselwirkung von Licht mit diesen Substanzen in verschiedenen Spektralbereichen. So ermöglicht beispielsweise das ultraviolette Spektrum den direkten Zugang zu elektronischen Übergängen innerhalb einer Substanz, während das Terahertz-Spektrum sehr empfindlich auf Molekülschwingungen reagiert.
Eine künstlerische Darstellung des mittleren Infrarot-Pulsspektrums vor dem Hintergrund des elektrischen Feldes, das den Puls erzeugt.
Viele im Laufe der Jahre entwickelte Technologien haben Hyperspektroskopie und Bildgebung ermöglicht und erlauben Wissenschaftlern, Phänomene wie das Verhalten von Molekülen beim Falten, Drehen oder Vibrieren zu beobachten, um Krebsmarker, Treibhausgase, Schadstoffe und sogar schädliche Substanzen besser zu verstehen. Diese hochempfindlichen Technologien haben sich in Bereichen wie der Lebensmittelanalytik, der biochemischen Sensorik und sogar im Kulturerbe als nützlich erwiesen und können zur Untersuchung der Struktur von Antiquitäten, Gemälden oder Skulpturenmaterialien eingesetzt werden.
Eine seit Langem bestehende Herausforderung ist der Mangel an kompakten Lichtquellen, die einen so großen Spektralbereich abdecken und ausreichend Helligkeit aufweisen können. Synchrotronstrahlung bietet zwar eine spektrale Abdeckung, jedoch fehlt ihr die zeitliche Kohärenz von Lasern, und solche Lichtquellen können nur in großen Nutzeranlagen eingesetzt werden.
In einer kürzlich in Nature Photonics veröffentlichten Studie berichtet ein internationales Forscherteam des Spanischen Instituts für Photonische Wissenschaften, des Max-Planck-Instituts für Optische Wissenschaften, der Staatlichen Universität Kuban und des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Ultrakurzzeitspektroskopie u. a. über eine kompakte, hochbrillante Infrarot-Anregungsquelle. Diese kombiniert eine aufblasbare, antiresonante Ring-Photonenkristallfaser mit einem neuartigen nichtlinearen Kristall. Das Gerät liefert ein kohärentes Spektrum von 340 nm bis 40.000 nm mit einer spektralen Helligkeit, die zwei bis fünf Größenordnungen höher ist als die einer der hellsten Synchrotronquellen.
Zukünftige Studien werden die kurze Pulsdauer der Lichtquelle nutzen, um eine Zeitbereichsanalyse von Substanzen und Materialien durchzuführen. Dies eröffnet neue Wege für multimodale Messmethoden in Bereichen wie der Molekülspektroskopie, der physikalischen Chemie oder der Festkörperphysik, so die Forscher.
Veröffentlichungsdatum: 16. Oktober 2023