Känsliga djurnäsor kan sniffa upp spårpartiklar, såsom flyktiga organiska föreningar, i den omgivande luften. Människor, å andra sidan, utvecklar innovativa teknologier för detta ändamål, såsom optisk spektroskopi. Detta använder laserljus för att detektera den molekylära sammansättningen av gaser. Det öppnar för möjligheten att till och med överträffa dessa "luktande" framgångar — även för ämnen som djurnäsor inte alls kan uppfatta.

Idag utnyttjar spektroskopins "olfaktoriska kraft" ännu inte sin potential. Principen bakom är att om molekyler bestrålas med laserljus börjar de vibrera karakteristiskt och även avge ljus. Vid låga koncentrationer är dock detta utsläpp mycket svagt. En grupp forskare ledda av PD Dr. Ioachim Pupeza i attoworld-teamet vid Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) och Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), i samarbete med forskare vid University of British Columbia och Leibniz Institutet för fotonisk teknologi i Jena, visar nu ett sätt att förstärka strålningen från molekyler som följer excitationen, vilket avsevärt förbättrar "luktsinnet" av molekylär laserspektroskopi. Deras studie publicerades i Nature Photonics .

När en musiker plockar en gitarrsträng börjar den vibrera och avger en ton med en tonhöjd, klang och modulering som är karakteristisk för instrumentet. Samma sak händer när en gasmolekyl "träffas" av en ultrakort laserpuls:Den absorberar en del av laserpulsens energi. Dess atomer börjar vibrera. Istället för en ljudvåg avger molekylen en karakteristisk optisk vågform som kan detekteras spektroskopiskt. Denna vågform innehåller information om gasens molekylära sammansättning. Tyvärr är denna "molekylernas musik" väldigt mild. Detta beror på att endast en liten bråkdel av energin som finns i pulsen omvandlas till de långsamt sönderfallande ljusvågorna som innehåller denna värdefulla information.

Tillfälligt överlappande laserpulser

Forskare från attoworld-teamet vid MPQ och LMU, i samarbete med forskare från University of British Columbia och Leibniz Institute for Photonic Technologies i Jena, har nu hittat ett sätt att förstärka molekylära svar på upprepade ultrakorta laserpulser i den så kallade molekylära fingeravtrycksspektralregion. I fingeravtrycksspektralområdet har organiska molekyler sina karakteristiska resonanser. För att göra detta skickade fysikerna pulserna in i en optisk resonator fylld med gas. I resonatorn leds strålen av laserpulser tillbaka in i sig själv via flera speglar, så att pulserna börjar överlappa varandra temporärt med sina föregångare och efterföljare. Detta förstärker pulserna och de molekylära svaren. Attoworld-laserfysikerna har nu, för första gången, kopplat ut dessa optiska vågformer av förbättrade molekylära svar från kaviteten och provtagit dem med fältupplöst spektroskopi.

Innan detta var möjligt måste ett antal utmaningar övervinnas. "Hittills har passiva optiska resonatorer bara kunnat täcka bandbredder på mindre än 20% av den centrala optiska frekvensen och har mestadels fungerat vid nära-infraröda våglängder", förklarar Philipp Sulzer, en av de ledande författarna till studien.

"Men för att täcka en betydande del av fingeravtrycksområdet i det mellaninfraröda, var vi tvungna att tänka om vilka optiska element och låsmekanismer som kunde användas för att bygga håligheten. Dessutom får de ultrakorta pulserna för fältupplöst spektroskopi inte ändras deras vågform under en bana genom resonatorn", tillägger Maximilian Högner, den andra ledande författaren av studien. Slutligen hittade laserfysikerna en konfiguration bestående av fyra guldbelagda speglar, fuktighetskontrollerad luft och en kilformad diamantplatta för att koppla ljuset in och ut ur resonatorn. Deras tillvägagångssätt möjliggör en förbättring av energin som finns i det molekylära svaret efter den impulsiva excitationen med en faktor på mer än 500.

Ökar chanserna att tillförlitligt upptäcka sjukdomar

"Den nya mätuppsättningen kombinerar vårt tidigare arbete med förstärkning av kaviteter med vår expertis inom fältupplöst spektroskopi. Resultaten öppnar upp perspektiv för bredbandsgasspektroskopi med en känslighet på en till en biljon partiklar. Samtidigt på grund av den jämförelsevis smala absorptionen ledningar i gasfasen, erbjuder tekniken hög potential för komplexa gasblandningar som mänsklig andedräkt, där vissa komponenter finns i mycket höga koncentrationer, men vissa i mycket låga koncentrationer", förklarar Ioachim Pupeza. "Vårt nya tillvägagångssätt ökar chanserna att på ett tillförlitligt sätt upptäcka sjukdomar via mänsklig andedräkt i framtiden och därmed tillhandahålla till exempel nya, icke-invasiva metoder för att övervaka terapier." + Utforska vidare

Styr vågformen för ultrakorta infraröda pulser