Zum Tango braucht es zwei Kämme

Als grundlegende Bausteine der Materie hinterlassen Atome und Moleküle einzigartige spektrale Fingerabdrücke im Licht, anhand derer die Spektroskopie chemische Spezies identifiziert und quantifiziert. Die Anwendungsbereiche dieser Methode sind vielfältig. Sie reichen von quantenelektrodynamischen Grundlagenuntersuchungen und der Analyse molekularer Strukturen bis hin zur Umweltsensorik, biomedizinischen Diagnostik sowie industriellen Überwachung. In diesem Kontext hat sich über die Jahre das Doppelkamm-Spektrometer als ein vielversprechendes Instrument herausgebildet, welches das Potenzial besitzt, das gesamte Fachgebiet grundlegend zu verändern.

Doppelkamm-Spektroskopie treibt die moderne Atom- und Molekularwissenschaft voran

Als grundlegende Bausteine der Materie hinterlassen Atome und Moleküle einzigartige spektrale Fingerabdrücke im Licht, anhand derer die Spektroskopie chemische Spezies identifiziert und quantifiziert. Die Anwendungen dieser Methode reichen von quantenelektrodynamischen Grundlagenuntersuchungen über die Erforschung molekularer Strukturen bis hin zur Umweltsensorik, biomedizinischen Diagnostik und industriellen Überwachung. Mit dem Doppelkamm-Spektrometer hat sich ein vielversprechendes Instrument herausgebildet, das das Fachgebiet grundlegend verändern könnte. Es basiert auf der Interferenz zweier modengekoppelter ultraschneller Laser, deren breite Frequenzkämme aus gleichmäßig beabstandeten, schmalen Spektrallinien bestehen. In einem Übersichtsartikel geben Nathalie Picqué und Theodor W. Hänsch einen umfassenden Überblick über die Prinzipien, Fortschritte und Zukunftsperspektiven dieses sich rasch entwickelnden Gebiets der breitbandigen Atom- und Molekularwissenschaft.

Präzision und Geschwindigkeit

Ein Frequenzkamm ist ein Spektrum phasenkohärenter, scharfer und gleichmäßig beabstandeter Laserlinien. Diese auf modengekoppelten Femtosekundenlasern basierenden Kämme wurden in den 1990er Jahren am Max-Planck-Institut für Quantenoptik entwickelt und haben die Messung von Frequenz und Zeit revolutioniert. In der Frequenzmesstechnik fungiert ein solcher Laserkamm als Maßstab, der Mikrowellen- und optische Frequenzen praktisch miteinander verknüpft oder große Abstände zwischen zwei optischen Frequenzen misst. In den letzten zwei Jahrzehnten erschlossen sich Frequenzkämme neue Anwendungsbereiche, darunter die Doppelkamm-Spektroskopie. Diese meistert die Herausforderung, breite Spektralbereiche mit hoher Auflösung und Genauigkeit zu kombinieren, indem sie zwei Kämme mit leicht unterschiedlichen Wiederholungsfrequenzen nutzt, um optische Spektren direkt in den Hochfrequenzbereich abzubilden. Da die Methode auf Zeitbereichsinterferometrie stützt und ohne mechanisches Scannen auskommt, ermöglicht sie hochpräzise, schnelle und breitbandige Messungen.

Globale Entwicklung und Zukunftsperspektiven

In den letzten zwei Jahrzehnten wurde die Doppelkamm-Spektroskopie über das gesamte elektromagnetische Spektrum hinweg vom Terahertz- bis zum sichtbaren Bereich implementiert, wobei aktuelle Anstrengungen bereits auf den Ultraviolettbereich abzielen. In einem Einführungsartikel stellen Nathalie Picqué und Theodor W. Hänsch die Prinzipien, Fortschritte und repräsentativen Anwendungen dieser Technologie sowie deren aktuelle Grenzen und neue Entwicklungsrichtungen vor. Sie heben hervor, dass das Doppelkamm-Interferometer – da die Messung nicht auf geometrischen Einschränkungen beruht – einen konzeptionellen Weg hin zu hochminiaturisierten Spektrometern bietet sowie zu einer Breitbandspektroskopie, deren Auflösung ausschließlich durch die zeitliche Kohärenz bestimmt wird.

Quelle

Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V. (05/2026)