Schmalbandige Diamant-Raman-Laser zur Fernerkundung von Spurengasen

• Antragsteller: Dr. Oliver Lux
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267204784

Der Prozess der stimulierten Raman-Streuung (SRS) in kristallinen Festkörpern ermöglicht die effiziente Frequenzkonversion von Laserstrahlung in spektrale Bereiche, welche mit konventionellen Lasermaterialien nicht direkt zugänglich sind. Dabei führt die nichtlineare Wechselwirkung von intensiver Pumpstrahlung mit Schwingungsmoden (Phononen) zur Erzeugung von diskreten Emissionslinien, die gegenüber der Pumplinie zu längeren (Stokes-) und kürzeren Wellenlängen (Anti-Stokes-Raman-Streuung) verschoben sind. Durch die Integration eines Raman-aktiven Mediums in einen optischen Resonator mit geeigneten Spezifikationen (Raman-Laser) können einzelne Linien selektiv verstärkt und somit spezifische Ausgangswellenlängen generiert werden. Dies ist von besonderem Interesse für die Fernerkundung von atmosphärischen Spurengasen mittels leistungsstarker Laserquellen im Nahinfrarotbereich. Hierfür gelten strenge Anforderungen hinsichtlich der räumlichen und spektralen Strahlungseigenschaften. Im Rahmen seiner bisherigen wissenschaftlichen Tätigkeit hat der Antragsteller mehr als 20 Raman-aktive Kristalle in Bezug auf die bei der SRS beteiligten Schwingungsmoden untersucht und deren Interaktionsstärken quantifiziert. Nach Auswahl eines geeigneten Materials wurde ein komplexes Raman-Lasersystem entwickelt und für den Nachweis von Kohlenstoffdioxid unter Laborbedingungen eingesetzt. Aufbauend auf diesen Studien richtet sich der Fokus in dem geplanten Vorhaben auf das Material Diamant. Dieses eignet sich aufgrund seiner außergewöhnlichen thermischen und optischen Eigenschaften insbesondere für die Frequenzumsetzung hoher Laserleistungen und hat in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung im Bereich der Laserphysik erfahren. Im Hinblick auf den Einsatz von Diamant-Raman-Lasern für den Spurengasnachweis sollen die spektralen Eigenschaften dieser Laserquellen mit modernen Methoden analysiert werden. Das Hauptziel des Vorhabens besteht in der Entwicklung eines in der Wellenlänge durchstimmbaren Diamant-Raman-Lasers mit geringer Linienbreite, wobei ein neuartiges Konzept zur spektralen Kontrolle der Laseremission studiert wird. Dessen Umsetzung wird durch Absorptionsmessungen das Gases Ammoniak evaluiert. Die Untersuchungen dienen als Machbarkeitsnachweis, um das Potenzial von (Diamant-)Raman-Lasern für spektroskopische Anwendungen zu demonstrieren und insbesondere deren Weiterent-wicklung für die Fernerkundung zu stimulieren. Das Projekt beabsichtigt zudem einen Kompetenzaustausch zwischen der Gruppe um Prof. R. P. Mildren an der Macquarie-Universität in Sydney - einer der führenden Gruppen im Bereich von Hochleistungs-Diamant-Raman-Lasern - und dem Antragsteller, der über Erfahrung hinsichtlich der Frequenzstabilisierung von Festkörperlasern sowie deren Einsatz zum Spurengasnachweis verfügt. Die Erweiterung seines Methodenspektrums soll den Antragsteller in die Lage versetzen, zukünftig wichtige Beiträge im Bereich der Klima- und Umweltforschung zu leisten.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Australien
• Gastgeber: Professor Dr. Richard Mildren