Forstærkning af strålingen fra molekyler efter excitation for at forbedre molekylær laserspektroskopi

Følsomme dyrenæser kan opsnuse sporpartikler, såsom flygtige organiske forbindelser, i den omgivende luft. Mennesker på den anden side udvikler innovative teknologier til dette formål, såsom optisk spektroskopi. Dette bruger laserlys til at detektere den molekylære sammensætning af gasser. Det åbner muligheden for endda at overgå disse "lugtende" succeser – også for stoffer, som dyrenæser slet ikke kan opfatte.

I dag udnytter spektroskopiens "olfaktoriske kraft" endnu ikke sit potentiale. Princippet bag er, at hvis molekyler bliver bestrålet med laserlys, begynder de at vibrere karakteristisk og udsender også lys. Ved lave koncentrationer er denne emission dog meget svag. En gruppe videnskabsmænd ledet af PD Dr. Ioachim Pupeza i attoworld-teamet ved Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) og Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), i samarbejde med videnskabsmænd ved University of British Columbia og Leibniz Institute for Photonic Technologies i Jena, demonstrerer nu en måde at forstærke strålingen fra molekyler, der følger excitationen, hvilket væsentligt forbedrer "lugtesansen" af molekylær laserspektroskopi. Deres undersøgelse blev offentliggjort i Nature Photonics .

Når en musiker plukker en guitarstreng, begynder den at vibrere og udsender en tone med en tonehøjde, klang og modulation, der er karakteristisk for instrumentet. Det samme sker, når et gasmolekyle bliver "ramt" af en ultrakort laserpuls:Det absorberer noget af laserpulsens energi. Dens atomer begynder at vibrere. I stedet for en lydbølge udsender molekylet en karakteristisk optisk bølgeform, der kan detekteres spektroskopisk. Denne bølgeform indeholder information om gassens molekylære sammensætning. Desværre er denne "molekylernes musik" meget blid. Dette skyldes, at kun en lille brøkdel af energien i pulsen omdannes til de langsomt henfaldende lysbølger, der indeholder denne værdifulde information.

Midlertidigt overlappende laserimpulser

Forskere fra attoworld-teamet ved MPQ og LMU har i samarbejde med forskere fra University of British Columbia og Leibniz Institute for Photonic Technologies i Jena nu fundet en måde at forstærke molekylære reaktioner på gentagne ultrakorte laserimpulser i den såkaldte molekylære fingeraftryksspektralregion. I fingeraftryksspektralområdet har organiske molekyler deres karakteristiske resonanser. For at gøre dette sendte fysikerne pulserne ind i en optisk resonator fyldt med gas. I resonatoren føres strålen af ​​laserimpulser tilbage ind i sig selv via flere spejle, så impulserne begynder at tidsmæssigt overlappe deres forgængere og efterfølgere. Dette forstærker pulserne og de molekylære reaktioner. Attoworld-laserfysikerne har nu for første gang koblet disse optiske bølgeformer af forbedrede molekylære responser fra hulrummet ud og prøvet dem med feltopløst spektroskopi.

Før dette var muligt, skulle en række udfordringer overvindes. "Indtil nu kunne passive optiske resonatorer kun dække båndbredder på mindre end 20% af den centrale optiske frekvens og blev for det meste drevet ved nær-infrarøde bølgelængder," forklarer Philipp Sulzer, en af ​​de førende forfattere af undersøgelsen.

"Men for at dække en betydelig del af fingeraftryksområdet i det mellem-infrarøde, var vi nødt til at gentænke, hvilke optiske elementer og låsemekanismer, der kunne bruges til at bygge hulrummet. Derudover må de ultrakorte pulser til feltopløst spektroskopi ikke ændre sig. deres bølgeform under et kredsløb gennem resonatoren," tilføjer Maximilian Högner, den anden førende forfatter af undersøgelsen. Endelig fandt laserfysikerne en konfiguration bestående af fire guldbelagte spejle, fugtighedsstyret luft og en kileformet diamantplade til at koble lyset ind og ud af resonatoren. Deres tilgang giver mulighed for en forbedring af energien indeholdt i den molekylære respons, der følger den impulsive excitation med en faktor på mere end 500.

Øger chancerne for pålideligt at opdage sygdomme

"Det nye måleopsætning kombinerer vores tidligere arbejde med forbedringshulrum med vores ekspertise inden for feltopløst spektroskopi. Resultaterne åbner op for perspektiver for bredbåndsgasspektroskopi med følsomheder på én til en billion partikler. Samtidig på grund af den forholdsvis snævre absorption linjer i gasfasen, giver teknikken et stort potentiale for komplekse gasblandinger såsom menneskelig ånde, hvor nogle komponenter er til stede i meget høje koncentrationer, men nogle i meget lave koncentrationer," forklarer Ioachim Pupeza. "Vores nye tilgang øger chancerne for pålideligt at opdage sygdomme via menneskelig ånde i fremtiden og dermed give for eksempel nye, ikke-invasive metoder til overvågning af terapier." + Udforsk yderligere

Styring af bølgeformen af ​​ultrakorte infrarøde impulser