Empfindliche Tiernasen können Spurenpartikel, wie flüchtige organische Verbindungen, in der Umgebungsluft erschnuppern. Der Mensch dagegen entwickelt dafür innovative Technologien, wie etwa die optische Spektroskopie. Dabei wird mit Hilfe von Laserlicht die molekulare Zusammensetzung von Gasen detektiert. Sie eröffnet die Möglichkeit, diese „Riech“-Erfolge sogar noch zu übertreffen - auch bei Substanzen, die Tiernasen gar nicht wahrnehmen können. Die „Geruchsleistung“ der Spektroskopie schöpft heute noch nicht ihr Potential aus. Das Prinzip dahinter: Bestrahlt man Moleküle mit Laserlicht, beginnen diese charakteristisch zu schwingen und ebenfalls Licht auszusenden. Bei niedrigen Konzentrationen ist diese Abstrahlung aber sehr schwach. Ein Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von PD Dr. Ioachim Pupeza im attoworld-Team der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) zeigt in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der University of British Columbia und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien in Jena nun einen Weg auf, die Abstrahlung der Moleküle nach ihrer Anregung zu verstärken und so den „Geruchssinn“ der molekularen Laserspektroskopie erheblich zu verbessern.

Wenn ein Musiker eine Gitarrensaite zupft, beginnt sie zu vibrieren und gibt einen Ton mit einer für das Instrument charakteristischen Tonhöhe, Klangfarbe und Modulation ab. Dasselbe geschieht, wenn ein Gasmolekül von einem ultrakurzen Laserpuls getroffen wird: Es absorbiert einen Teil der Energie des Laserpulses. Seine Atome beginnen zu vibrieren. Statt einer Schallwelle sendet das Molekül eine charakteristische optische Wellenform aus, die spektroskopisch nachgewiesen werden kann. Diese Wellenform enthält Informationen über die molekulare Zusammensetzung des Gases. Leider ist diese „Musik der Moleküle“ sehr leise. Denn nur ein winziger Teil der im Puls enthaltenen Energie wird in die langsam abklingenden Lichtwellen umgewandelt, die diese wertvollen Informationen enthalten.

Zeitlich überlappende Laserpulse

Forscher des attoworld-Teams am MPQ und der LMU haben nun in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der University of British Columbia und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien in Jena einen Weg gefunden, die molekularen Antworten auf sich wiederholende ultrakurze Laserpulse im so genannten molekularen Fingerabdruck-Spektralbereich zu verstärken. In dem Fingerabdruck-Spektralbereich haben organische Moleküle ihre charakteristischen Resonanzen. Dazu schickten die Physiker die Pulse in einen mit Gas gefüllten optischen Resonator. In dem Resonator wurden die zugeführten Laserpulse über mehrere Spiegel in sich selbst zurückgeführt, so dass sich die Pulse mit ihren Vorgängern und Nachfolgern am Ende zeitlich überlagern. Dadurch werden die Pulse und die molekularen Antworten verstärkt. Die attoworld-Laserphysiker haben nun erstmals diese optischen Wellenformen der verstärkten molekularen Antworten aus dem Resonator wieder ausgekoppelt und mit feldaufgelöster Spektroskopie abgetastet.

Dafür galt es einige Herausforderungen zu meistern. „Bisher konnten passive optische Überhöhungsresonatoren nur Bandbreiten von weniger als 20 Prozent der optischen Zentralfrequenz abdecken und wurden meist bei Wellenlängen im Nahen Infrarot betrieben“, erklärt Philipp Sulzer, Erstautor der Studie. „Um aber einen bedeutenden Teil des Fingerabdruckbereichs im Mittleren Infrarot abzudecken, mussten wir neu überlegen, welche optischen Elemente und Regelmechanismen für den Aufbau des Resonators verwendet werden können. Außerdem dürfen die ultrakurzen Pulse für die feldaufgelöste Spektroskopie ihre Wellenform während eines Umlaufs durch den Resonator nicht verändern“, ergänzt Maximilian Högner, ebenfalls Erstautor der Studie. Schließlich fanden die Laserphysiker eine Konfiguration, die aus vier goldbeschichteten Spiegeln, feuchtigkeitskontrollierter Luft und einer keilförmigen Diamantplatte zur Ein- und Auskopplung des Lichts im Resonator besteht. Ihr Ansatz ermöglicht eine Steigerung der Energie, die in der molekularen Antwort nach der impulsiven Anregung enthalten ist, um einen Faktor von mehr als 500.

Steigende Chancen, Krankheiten über Atemluft zu detektieren

„Der neue Messaufbau kombiniert unsere bisherige Arbeit an Überhöhungsresonatoren mit unserer Expertise in der feldaufgelösten Spektroskopie. Die Ergebnisse eröffnen Perspektiven für die breit-bandige Gasspektroskopie mit Empfindlichkeiten von eins zu einer Billion Teilchen. Gleichzeitig bietet die Technik wegen der vergleichsweise schmalen Absorptionslinien in der Gasphase hohes Potential für komplexe Gasgemischen wie die menschlichen Atemluft, in der manche Bestandteile in sehr hoher, manche jedoch in sehr niedriger Konzentration vorliegen“, erklärt Ioachim Pupeza. „Unser neuer Ansatz erhöht die Chancen, künftig Krankheiten über Atemluft verlässlich zu detektieren und damit zum Beispiel neue, nicht-invasive Methoden zur Überwachung von Therapien bereitzustellen.“