Infrarot-Analysen mit sichtbarem Licht

Singapur (Singapur) - Mit Wärmestrahlung lassen sich viele Eigenschaften von Gasen, Werkstoffen und biologischem Gewebe untersuchen. Doch die Nachweisgeräte für diese Infrarot-Analysen sind relativ kostspielig und nur eingeschränkt nutzbar. Eine pfiffige Alternative hat nun eine Forschergruppein Singapur entwickelt. Sie nutzten erstmals sichtbares Licht, um damit ein Gas im Spektrum der Wärmestrahlung zu untersuchen. Ihren Versuchsaufbau, der sich auf viele weitere Anwendungsbereiche erweitern ließe, präsentieren sie in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“.

„Wir glauben, dass diese Technologie die bisher verfügbaren Methoden der Infrarot-Spektroskopie ergänzen wird“, sagt Leonid A. Krivitsky von der Agency for Science, Technology and Research (A-Star) in Singapur. Mit seinen Kollegen nutzte er grünes Laserlicht mit einer Wellenlänge von 532 Nanometern. Dieses lenkte er in einer kleinen Vakuumkammer auf einen Lithiumniobat-Kristall, der die eingestrahlten Lichtteilchen aufteilte. So entstanden jeweils ein Lichtteilchen im roten (608 Nanometer) und ein weiteres im infraroten (4280 Nanometer) Spektralbereich. Mit einem weiteren Lithiumniobat-Kristall konnten die beiden Lichtteilchen wieder vereint werden. Dabei entstand ein spezifisches Interferenzmuster, das sich mit einem Chip, der empfindlich auf sichtbares Licht reagierte, aufzeichnen ließ.

Um ihre Methode zu testen, füllten Krivitsky und Kollegen zwischen die beiden Kristalle etwas Kohlendioxidgas, das Wärmestrahlung absorbieren kann und für sichtbares Licht durchlässig ist. Dank dieses Effekts wurde die Intensität des aufgeteilten Infrarotlichts etwas geschwächt. Wieder mit dem roten Lichtanteil kombiniert, ergab sich ein Interferenzmuster, aus dem sich das Absorbtionsvermögen und der Brechungsindex von Kohlendioxid für Wärmestrahlung exakt bestimmen ließ. Für die Aufnahme eines kompletten Interferenzspektrums benötigten die Forscher nur etwa zehn Sekunden. Die Genauigkeit rangierte in der gleichen Größenordnung wie bei Experimenten, bei denen direkt Infrarotlicht verwendet wurde.

Dieser Versuch belegt eindrucksvoll, dass auch mit günstigen Sensoren und Optiken für sichtbares Licht genaue Infrarot-Analysen durchgeführt werden können. Nach dem ersten Versuch mit einem Gas könnte die Methode der geteilten Lichtteilchen auch für die Untersuchungen von Werkstoffen und biologischem Gewebe übertragen werden. Da sich die Wellenlänge der geteilten Photonen über die Ausrichtung des strahlteilenden Kristalls beeinflussen lässt, halten die Forscher sogar eine Ausweitung dieser Methode bis in das Terahertz-Spektrum, wofür es nur wenige Nachweisgeräte gibt, für möglich.