Infrarotanalysen mit sichtbarem Licht

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

Strahlengang durch zwei Kristalle im Versuchsaufbau
Infrarotanalysen mit sichtbarem Licht

„Wir glauben, dass diese Technologie die bisher verfügbaren Methoden der Infrarotspektroskopie ergänzen wird“, sagt Leonid Krivitsky von der Agency for Science, Technology and Research 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 etwas Kohlendioxidgas zwischen die beiden Kristalle, 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 Absorptionsvermögen und der Brechungsindex von Kohlendioxid für Wärmestrahlung exakt bestimmen ließ. Für die Aufnahme eines kompletten Interferenzspektrums benötigten die Forscher etwa zehn Sekunden. Die Genauigkeit rangierte in der gleichen Größenordnung wie bei Experimenten, bei denen direkt Infrarotlicht verwendet wurde.

Dieser Versuch belegt, dass auch genaue Infrarotanalysen mit günstigen Sensoren und Optiken für sichtbares Licht möglich sind. Nach dem ersten Versuch mit einem Gas könnte die Methode der geteilten Lichtteilchen auch für die Untersuchungen von Werkstoffen und biologischem Gewebe verwendet werden.