EOM-basierte Doppelkamm-Spektroskopie für Anwendungen im mittleren Infrarot

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Ingo Breunig
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490702091

Ziel des Projektes ELECTROCOMB ist die Entwicklung von wellenlängen-flexiblen Frequenzkämmen im mittleren Infrarot für die leistungsfähige Doppel-Kamm-Spektroskopie (dual-comb spectroscopy – DCS), um die Anforderungen spektroskopischer und analytischer Anwendungen hinsichtlich Wellenlängenbereich, spektraler Abdeckung, sowie Messgeschwindigkeit und -empfindlichkeit zu erfüllen. In ELECTROCOMB wird das Verfahren der Frequenzkamm-Erzeugung durch elektrooptische Modulation (EOM) eines Dauerstrich-(cw)-Lasers genutzt. Dieser Ansatz erlaubt eine deutliche Reduzierung des Aufwands für die gegenseitige Synchronisierung der beiden Kämme, wie er für DCS-Systeme charakteristisch ist. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, die Frequenz der Modulation und damit des Abstandes der Kammzähne den spektralen Eigenschaften der Probe anzupassenden eine Probe je nach Messanforderung durch den Analyten. Das Konzept der EOMbasierten Kammererzeugung ist jedoch hinsichtlich der erreichten spektralen Abdeckung weniger effizient als andere Ansätze. Zudem ist es wegen des Einsatzes spezieller Komponenten bisher auf den nahinfraroten (NIR) Telekom-Bereich beschränkt. Das Projekt ELECTROCOMB hat zum Ziel, diese Einschränkungen zu überwinden. Dazu sollen das Verständnis der fundamentalen Prozesse in der EOM-basierten Frequenzkammerzeugung vertieft und, darauf aufbauend, die physikalischen Grenzen der spektralen Verbreiterung der EOM-Frequenzkämme sowie des Messrauschens der darauf basierenden (NIR-)DCS-Systeme bestimmt werden. Diese werden dann mit neuen und effizienten Ansätzen der nichtlinearen Frequenzkonversion in die spektroskopisch hochrelevanten mittelinfraroten Wellenlängenbereiche (3 – 5 μm) konvertiert. Dafür kommen sowohl chi(2)- als auch chi(3)-Prozesse in Wellenleitern zum Einsatz. Im Ergebnis werden anspruchsvolle Anwendungen in der Spurengasanalytik ermöglicht, die sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch eine breite spektrale Abdeckung voraussetzen. Grundlage des Projekts sind die sich gegenseitig ergänzenden Expertisen der Projektpartner aus dem Laboratoire ICB der Université de Bourgogne (speziell nichtlineare Prozesse in optischen Fasern und integrierten Wellenleitern für die Frequenzkammerzeugung) und aus dem Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (chi(2)-Frequenzkonversion, Datenerfassung und Gasanalytik). Das Projekt profitiert vom gemeinsamen Zugriff auf hochspezialisierte Systeme und Instrumente bei den beiden Partnern. Die Zusammenarbeit wird zu einem verbesserten Verständnis der Kammerzeugung und zu neuen Anwendungen in der Gasspektroskopie führen. DieProjektpartner gehen so davon aus, dass ELECTROCOMB signifikante Beiträge für die künftige wissenschaftliche und industrielle Nutzung von Frequenzkämmen leisten wird. Dem sollen auch die Veröffentlichung der Forschungsergebnisse in führenden Fachjournalen und Präsentationen auf angesehenen internationalen Konferenzen dienen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Guy Millot