Forschung zur photothermischen Gas-Detektion mittels miniaturisierten Faser-basierten Fabry-Perot Resonatoren

• Antragsteller: Professor Sebastian Hofferberth, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544894227

Der Schwerpunkt des Projektes liegt in der laser-basierten Detektion von Gasen mittels Mikrooptik mit Fokus auf faser-basierte Fabry-Perot Resonatoren. Die Hauptaufgabe unseres interdisziplinären Teams von Forschern wird dabei in der Verbesserung der Extraktion des Messsignals aus der Photothermischen Spektroskopie liegen. Unser Ansatz stützt sich auf die Nutzung maßgeschneiderter, miniaturisierter, faser-basierter Fabry-Perot Resonatoren (fiber Fabry-Perot cavities - FFPCs) zur Auswertung der spektroskopischen Signalstärke. Wir planen die Leistungsfähigkeit dieser Messmethode experimentell zu charakterisieren und dazu die FFPCs in eine speziell dafür designte Probenkammer mit Test-Gasen verschiedener Konzentration einzubringen. Die Gasmoleküle werden dann durch einen weiteren Pump-Laser angeregt, der eine Modulation des Brechungsindexes bewirkt. Der Pump-Laser wird im Zentrum der FFPC fokussiert, wodurch die dort auftretende Indexmodulation die Resonanzfrequenz der FFPC moduliert. Diese Veränderung wird dann als Amplitudenmodulation der Reflektion eines an die FFPC gekoppelten Probe-Lasers ausgelesen. Während des Projektverlaufes werden verschiedene FFPC Geometrien realisiert und auf die Verwendung als Gasdetektor optimiert. Eine Kernaufgabe wird die Herstellung optimierter FFPCs bei 1550 nm Resonanzwellenlänge zur Verwendung mit Telecom-Lasern und Faserkomponenenten und die damit verbundene Ausweitung des bisher umgesetzten Probe-Laser-Bereiches bei 780 nm. Weiterhin soll die Finesse und die Länge der Resonatoren zur besseren Frequenzdiskriminierung erhöht und neuartige Designs zur Integration des Pump-Lasers durch massgeschneiderte 3-Kanal Faserhülsen und gekreuzte Resonatoren entwickelt werden. Damit wird auch die Pumpquelle Faser-gestützt zum Probenvolumen gebracht und die Stabilität des Sensors erhöht. Signalverarbeitungstechniken, wie Wellenlängenmodulationsspektroskopie und Boxcar-Mittelung, werden zur Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses der Detektoren getestet werden. Weiterhin werden Frequenz- und Zeitmultiplex-Verfahren zur Ausweitung auf die simultane Messung mehrerer Spurengase mittels der hier entwickelten Detektoren erprobt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Dieter Meschede; Dr. Hannes Pfeifer
• Kooperationspartner: Professor Dr. Karol Krzempek