Die Laser der Zukunft

Uni Wien Physiker Oliver Heckl entwickelt in seinem Christian Doppler Labor ein neuartiges Infrarot-Spektrometer, das auch an Orten außerhalb des Labors eingesetzt werden kann. Die "mobile Lasertechnik" kann einen wichtigen Beitrag zum Umweltschutz und zur Krebsfrüherkennung leisten.

Infrarotlicht ist ein ständiger Begleiter unseres Alltags. Auch wenn wir die elektromagnetischen Strahlungen mit bloßem Auge nicht sehen können, sind wir doch von ihnen umgeben: beispielsweise in unseren Fernbedienungen, Heizkörpern, Backöfen oder Supermarktkassen.

Infrarotlicht spielt vor allem in der Forschung eine große Rolle – und zwar in Form von Laserspektroskopie: „Das Spannende an der Forschung mit Infrarotlicht ist, dass in diesem Wellenlängenbereich besonders viel Licht von Molekülen absorbiert wird“, erläutert Oliver Heckl von der Fakultät für Physik der Universität Wien. „Das eröffnet uns viele spannende Zugänge.“

Im Cristian Doppler Labor für Mid-IR Spektroskopie und Halbleiteroptik betreibt der Physiker Oliver Heckl gemeinsam mit Thorlabs Grundlagenforschung zu präzisen Laserquellen, die in den Spektralbereich des mittleren Infrarots übersetzt werden. (© Salme Taha Ali Mohamed)

Die Wellenlänge macht den Unterschied: Infrarotlicht sind elektromagnetische Strahlungen, die Wärme und nicht Helligkeit transportieren. „Mittleres Infrarotlicht hat Wellenlängen zwischen 2500 und 5000 Nanometer. Grünes, sichtbares Licht misst hingegen 500 bis 515 Nanometer. Licht im mittleren Infrarot ist also um den Faktor zehn länger als sichtbares“, erläutert Heckl. Dieser Unterschied in den Wellenlängen führt dazu, dass wir Infrarotlicht nicht sehen können.

Eine neue Art von Spektrometer

Der Physiker leitet seit 2017 das Christian Doppler Labor für Mid-IR Spektroskopie und Halbleiteroptik an der Universität Wien. In Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Thorlabs, früher Crystalline Mirror Solutions, beschäftigt er sich hier mit der Forschung und Entwicklung von präzisen Laserquellen, die in den Spektralbereich des mittleren Infrarots übersetzt werden. Die Crystalline Mirror Solutions GmbH selbst ist als Start-up an der Fakultät für Physik der Universität Wien hervorgegangen und heute weltweit führend in der Herstellung von Hochpräzisionsoptik für Lasersysteme. 2019 wurde sie von der US-amerikanischen Firma Thorlabs aufgekauft.

Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Grundlagenforschung sind sehr breit, angefangen bei Umweltschutz und Atmosphärenchemie bis hin zu Medizin und Krebsfrüherkennung. „Wir wollen eine neue Art von Spektrometer entwickeln, mit dem wir auch außerhalb des Labors und unabhängig von den äußeren Umweltbedingungen arbeiten können“, fasst Heckl eines seiner Forschungsziele zusammen.

In Christian Doppler Laboren wird anwendungsorientierte Grundlagenforschung auf hohem Niveau betrieben, hervorragende Wissenschafter*innen kooperieren dazu mit innovativen Unternehmen. Sie werden von der öffentlichen Hand und den beteiligten Unternehmen gemeinsam finanziert. Wichtigster öffentlicher Fördergeber ist das Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort (BMDW). An der Universität Wien gibt es derzeit sechs CD-Labore.

Forschung außerhalb des Labors

Ein solches „Dual Comb Spektrometer“ würde die Forschung auf diesem Gebiet revolutionieren. Damit wäre Laserspektroskopie außerhalb des Labors möglich: „Mit unserem neuen Laser können wir das Labor verlassen und verschiedene Plätze auf der Erde aufsuchen, die z.B. für die Umweltforschung relevant sind: An Orten, wo Öl gewonnen wird oder Fabriken stehen, könnten wir u.a. vorhandene Treibhausgase oder das Ausmaß der Luftverschmutzung messen“, erklärt Heckl das Fernziel seiner Forschung. „Normalerweise benötigt man für diese Art von Messung einen zweiten Laser zum Referenzieren des ersten Lasers. Wird aber einer der beiden Laser gestört, ist das gesamte Experiment gefährdet, da kein stabiles Signal generiert wird. Unsere Idee ist nun, zwei Laser in einem zu produzieren.“

Somit werden beide Laser immer gleichzeitig gestört, was wiederum zu einem Ausgleich führt. Gelingt das, kann der Laser weitgehend unabhängig von seinen Umweltbedingungen arbeiten.

Ein Fernziel von Oliver Heckls Forschung ist der Bau eines Lasers, der klein und stabil genug ist, um damit auch Forschung außerhalb des Labors betreiben zu können. (© Salme Taha Ali Mohamed)

Die weltbesten Spiegel

Wichtig für Heckls Forschung ist, dass das Infrarotlicht, welches vom Lasersystem erzeugt wird, im Experiment so wenig Streuungs- und Absorbierungsverluste wie möglich aufweist. Es soll also während der Spektroskopie weder in Wärme noch Streuung umgewandelt werden. Aus diesem Grund greift der Physiker auf kristalline Spiegel zurück, die nur sehr niedrige Verluste aufweisen und von Heckl gemeinsam mit Thorlabs hergestellt werden. „Mit unseren Spiegeln auf viereinhalb Mikrometer Wellenlänge haben wir sicher die weltbesten dieser Art“, zeigt sich der Forscher stolz.

Derzeit konzentrieren sich der Physiker und sein fünfköpfiges Team darauf, die Technologie im Bereich Infrarot an allen Enden zu pushen: „Wir wollen über den neusten Stand der Technik hinausgehen.“ (st)

Dipl.-Phys. Dr. Oliver H. Heckl vom Fakultätszentrum für Nanostrukturforschung der Fakultät für Physik an der Universität Wien leitet seit 2017 das Christian Doppler Labor für Mid-IR Spektroskopie und Halbleiteroptik, wo er sich in Zusammenarbeit mit Thorlabs mit der Forschung und Entwicklung von Infrarot-Laserspektrometer beschäftigt.

13. Mai 2020|