Forschung & Entwicklung

Brillanter Ultrakurzpuls-Infrarotlaser

Eine neue Laserquelle für den mittleren Infrarotbereich soll Synchrotronstrahlung aus dem Beschleuniger ersetzen können und in der IR-Spektroskopie von Molekülen eingesetzt werden, unter anderem für die Krebsfrüherkennung.

Wissenschaftlern des Labors für Attosekundenphysik (LAP), der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) ist es gelungen, eine leistungsstarke Femtosekunden-Lichtquelle im Wellenlängenbereich von 1,6 bis 10,2 Mikrometer zu entwickeln.

Mit Laserlicht wollen die Wissenschaftler Krankheiten bereits im Frühstadium erkennen, sodass sie auch rechtzeitig behandelt werden können. Dazu sollen Moleküle optisch angeregt werden. Die Moleküle reagieren sehr spezifisch auf bestimmte Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich des Lichts und hinterlassen damit beim Durchleuchten einer Probe, zum Beispiel Blut oder Atemluft, molekulare Fingerabdrücke. Mit einer Lichtquelle, die einen breiten Bereich des Infrarotlichts abdeckt, kann man viele Molekülarten gleichzeitig untersuchen. Befinden sich in der Probe Moleküle, die als Krankheitsindikatoren dienen, so hinterlassen auch sie ihren Fingerabdruck im Infrarotlicht.

Eine solche breitbandige Lichtquelle haben die LAP-Physiker entwickelt. Der gewünschte Wellenbereich wurde über eine Frequenzumwandlung vom Nahinfrarot ins mittlere Infrarot mithilfe eines nichtlinearen Kristalls erreicht. Kurzwellige Strahlung tritt in einen Kristall ein und versetzt die Elektronen im Kristall in Schwingung. Die Elektronen können der Frequenz des Lichtfelds nicht vollständig folgen und oszillieren bei niedrigeren Frequenzen, die im mittleren Infrarotbereich liegen. So wird die langwellige Strahlung erzeugt. Der Laser produziert durch seine Leistung im Watt-Bereich und seine gute Fokussierbarkeit höchst brillantes Licht. Damit soll das Erkennen besonders schwach konzentrierter Moleküle ermöglicht werden. Zudem produziert der Laser Pulse im Femtosekundenbereich. Das ermöglicht zeitaufgelöste Messungen sowie rauscharme und präzise Messtechniken.

Infrarotspektroskopie basiert aktuell meist auf der Nutzung von inkohärentem Licht. Auch wenn sich damit problemlos der mittlere Infrarotbereich abdecken lässt, verhindert die geringe Brillanz der inkohärenten Lichtquellen das Erkennen sehr schwacher molekularer Fingerabdrücke. Als Alternative diente bisher die Synchrotronstrahlung großer Beschleunigeranlagen. Diese ist aber nur eingeschränkt verfügbar und sehr teuer. Laserbasierte Methoden erzeugen oft sogar noch brillanteres Licht als Synchrotrons. Den LAP-Physikern ist es nun erstmals gelungen, dies auch über einen sehr breiten Spektralbereich im Infrarot zu erreichen. Dabei passt das vorgestellte Lasersystem auf einen großen Tisch, ist also wesentlich kompakter und kostengünstiger als Synchrotrons.

Um beispielsweise eine Krebserkrankung wirklich im Frühstadium zu erkennen, sind eine geeignete Messmethode und eine genaue Kenntnis der Krankheitsindikatoren notwendig, erklärt Marcus Seidel, der als Wissenschaftler in dem Technologieprojekt arbeitete. Die Forscher versprechen sich mit den deutlich verbesserten Lichtquellen genau diese Schritte als nächstes gehen zu können.

Zudem kann das Lasersystem über den Life Science-Bereich hinaus eingesetzt werden, da auch in der Chemie und der grundlegenden Physik die genaue Beobachtung molekularer Prozesse von höchster Bedeutung sind.

Originalveröffentlichung:

[Marcus Seidel et al., Multi-watt, multi-octave, mid-infrared femtosecond source, Sci. Adv. 4 (2018), DOI: 10.1126/sciadv.aaq1526]

von mg

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