Egal ob man Umweltproben in der Natur analysieren möchte oder ein chemisches Experiment überwacht: Oft braucht man hochsensible Sensoren, die mit extremer Genauigkeit selbst winzige Spuren eines bestimmten Gases „erschnüffeln“ können. Oft setzt man dafür Varianten der sogenannten Raman-Spektroskopie ein: Unterschiedliche Moleküle reagieren auf ganz charakteristische Weise auf Licht unterschiedlicher Wellenlängen. Wenn man eine Probe mit dem passenden Licht bestrahlt und genau misst, auf welche Weise das Licht von der Probe verändert wird, kann man herausfinden, ob die Probe ein bestimmtes Gas enthält oder nicht.
An der TU Wien gelang nun allerdings in diesem Bereich ein bedeutender Schritt nach vorne: Man entwickelte eine neue Methode, passendes Licht für solche Experimente zu erzeugen und exakt zu kontrollieren. Dadurch ist nun nicht nur eine viel höhere Genauigkeit möglich als bisher, die Methode funktioniert ausserdem auch ohne bewegliche Teile und arbeitet daher viel schneller als die bisher besten Technologien. Die Methode wurde nun im Fachjournal „Light: Science and Applications“ publiziert.
Stimulierte Raman Emission: Wackelnde Atome
Die Basis der neuen Technologie ist die sogenannte „Stimulierte Raman Emission“ – ein quantenphysikalischer Prozess, an dem mehrere Photonen gleichzeitig beteiligt sind. Man bestrahlt eine Probe mit Licht, das aus zwei geringfügig unterschiedlichen Wellenlängen besteht. Ein Molekül der Probe kann somit gleichzeitig von zwei Photonen getroffen werden, die geringfügig unterschiedlich viel Energie haben. Dann kann es passieren, dass aus dem energiereichen und dem energieärmeren Photon plötzlich zwei energieärmere Photonen werden – die verbleibende Energiedifferenz führt dazu, dass das Molekül plötzlich ein bisschen mehr Energie hat. Die Atome des Moleküls können so zum Beispiel zum Wackeln oder Rotieren angeregt werden.
Das bedeutet nun, dass die Zahl der energiereicheren Photonen gesunken und die Zahl der energieärmeren Photonen gestiegen ist. Genau daran kann man erkennen, dass sich das gesuchte Molekül tatsächlich in der Probe befunden hat.
„Normalerweise ist das aber ein mühsamer Prozess“, erklärt Hongtao Hu vom Institut für Photonik der TU Wien, der Erstautor des aktuellen Papers. „Man muss sorgfältig eine Wellenlänge nach der anderen ausprobieren – zum Beispiel indem man den Lichtstrahl auf einen Kristall richtet und dann den Kristall langsam dreht oder seine Temperatur ändert, sodass die Probe im Lauf der Zeit von vielen unterschiedlichen Wellenlängen getroffen wird.“
Femtosekunden-Laserpulse
An der TU Wien arbeitete die Arbeitsgruppe von Prof. Andrius Baltuska seit Jahren gemeinsam mit Dr. Xinhua Xie (SwissFEL at Paul Scherrer Institut, Schweiz) und Prof. Alexei Zhletikov (Texas A&M University, USA) daran, das Raman-Spektrum mit ganz speziellen Lichtquellen zu messen. Das Team von Andrius Baltuska hatte bereits seit Jahren an dieser speziellen Lichtquelle gearbeitet. Hongtao Hu konnte nun unter anderem durch umfangreiche Computersimulationen zeigen, dass damit eine viel höhere Präzision zu erreichen ist als mit herkömmlichen Methoden. „Wir produzieren nicht nur eine Wellenlänge, sondern eine Serie von ultrakurzen Lichtpulsen“, erklärt Prof. Andrius Baltuska. „Jeder dieser Pulse hat eine Dauer im Bereich von Femtosekunden.“
Diese Lichtpuls-Serien haben nicht eine bestimmte Wellenlänge – sie setzen sich aus vielen verschiedenen Wellenlängen zusammen. Entscheidend ist nun die Phase der Lichtwellen – also die Position von Wellenbergen und Wellentälern. „Indem wir die Phase verändern, können wir all diese Wellenlängen, aus denen der Puls besteht, gleichzeitig ein bisschen verschieben“, sagt Hongtao Hu. „Bei ganz bestimmten Wellenlängen erhält man dann ein Raman-Signal, bei anderen nicht. Wir können mit unserer Methode also auf sehr elegante Weise einen bestimmten Wellenbereich untersuchen, ohne dabei irgendwelche beweglichen Teile einstellen zu müssen. Auf diese Weise kann man im Prinzip unterschiedlichste Moleküle voneinander unterscheiden.“
Höhere spektrale Auflösung als je zuvor
Hongtao Hu konnte zeigen: Je länger die Serie von Lichtpulsen, umso höher wird die Präzision: „Man kann mit einer Serie aus vielen Einzelpulsen somit eine deutlich höhere spektrale Auflösung erreichen als bisher“, sagt Hongtao Hu. Im Prinzip lassen sich so also auch Raman-Übergänge voneinander unterscheiden, die von unterschiedlichen Molekülen kommen, deren Signale mit bisherigen Technologien aber fast exakt gleich aussehen. Anwendungsmöglichkeiten der neuenTechnologie reichen von Umweltanalytik bis zur Qualitätssicherung in der chemischen Industrie.
Literatur
Hongtao Hu, Tobias Flöry, Vinzenz Stummer, Audrius Pugzlys, Markus Zeiler, Xinhua Xie, Aleksei Zheltikov, Andrius Baltuška; "Hyper spectral resolution stimulated Raman spectroscopy with amplified fs pulse bursts"; Light: Science & Applications, Volume 13, 2024-2-29