Dual-Comb-Spektrometer für Fernerkundung

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 531846023

Moderne Quantentechnologien in der Atom- und Molekularphysik sowie der Quantenoptik ermöglichen Messungen in der Umwelt mit einer neuen Empfindlichkeit und Auflösung und schaffen damit eine Wissensbasis für eine nachhaltige Ressourcennutzung und einen wirksamen und überprüfbaren Klimaschutz. Verschiedene Methoden haben bereits ihren Weg von der Untersuchung grundlegender wissenschaftlicher Fragen zur Anwendung in der Umweltphysik gefunden. In Heidelberg haben wir in den letzten 10 Jahren den Schritt vom Einzelteilchennachweis in Quantengasexperimenten zur Spurenanalyse auf Einzelatomebene für die umweltwissenschaftlich relevante Datierung von Wasser und Eis vollzogen. Mit diesem Antrag möchten wir einen weiteren Schritt des Know-how-Transfers gehen und die quantenoptische Methode der Dual-Comb-Spektroskopie zur Anwendung in Atmosphärenphysik bringen. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass die Dual-Comb-Spektroskopie (DCS) für die Fernerkundung geeignet ist, und wir möchten diese Methode anwenden und mit der in Heidelberg verfügbaren modernen Fourier-Transform-Spektroskopie vergleichen und erweitern. Hierfür beantragen wir einen Dual-Comb-Spektroskopie-Aufbau, der uns den Einstieg in diese Technologie ermöglicht und damit den Grundstein für eine neue Forschungsrichtung in Heidelberg legt. Dieses Projekt wird von einem Team aus Experten auf dem Gebiet der Quantenoptik (Prof. Oberthaler) und der Umweltphysik und Fernerkundung (Prof. Butz) vorangetrieben. Das Instrument wird aus zwei ultrastabilen Frequenzkämmen bestehen, die hochgradig kontrolliert und auf ein absolutes Frequenznormal referenziert werden, um gegenseitige Kohärenz zu gewährleisten. Dies ist die Voraussetzung für die Übertragung der spektralen Eigenschaften aus dem optischen Bereich in den Hochfrequenzbereich, der direkt mit einem einzigen, schnellen und empfindlichen Photonendetektor erfasst wird. Die Leistung des Aufbaus wird ständig mit einer Referenzgasprobe im Labor überwacht, die auch zur Erforschung neuer Nachweisverfahren zur Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses für bestimmte Molekülarten verwendet wird. Für die Fernerkundung wird die Lichtleistung auf eine Fernerkundungsstrecke über Heidelberg übertragen, wo besondere Vorkehrungen und Anpassungen getroffen werden müssen, um die optimale Leistung der Zweikamm-Spektroskopie zu gewährleisten. Mit der zusätzlichen Ebene der spektralen Kontrolle wird die höchste Empfindlichkeit für spezifische Moleküle realisiert und dient als Testfall für zukünftige, speziell entwickelte Lasersysteme. Der Doppelkammaufbau wird als Grundlage für weitere Entwicklungen dienen, die letztlich zu einer neuen Qualität der Fernerkundung auf der Grundlage quantenoptischer Techniken führen werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Dual-Comb-Spektrometer für Fernerkundung
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
• Leiter: Professor Dr. Markus Kurt Oberthaler