One Health: Ytterbium-Scheibenlaser erkennt Luftschadstoffe

Um Klimaschadstoffe in der Atmosphäre zu detektieren und überwachen, haben Forschende des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) eine neue Lasertechnologie entwickelt. Der Clou: Ein Hochleistungs-Ytterbium-Scheibenlaser treibt einen optisch parametrischen Oszillator (OPO) an, um hochleistungsfähige, stabile Impulse im kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR) zu erzeugen. Dies ermöglicht es, eine Vielzahl von atmosphärischen Verbindungen zu erkennen und zu analysieren. Die Methode kann eine wichtige Rolle bei der Verfolgung von Treibhausgaskreisläufen und den Auswirkungen des Klimawandels spielen und wurde kürzlich in der Zeitschrift ›APL Photonics‹ veröffentlicht. Die Innovation hat somit auch einen Bezug zur Medizin: Die Verminderung der Schadstoffe infolgeeiner besseren Detektion minimiert auch das Risiko von umweltbezogenen und klimabezogenen Erkrankungen.

Im Mittelpunkt dieser Innovation steht der Ytterbium-Scheibenlaser, der Hochleistungs-Femtosekundenimpulse mit Megahertz-Wiederholungsraten erzeugt. Dadurch kann das System einen OPO pumpen und Laserimpulse mit bemerkenswerter Leistung und Intensität in den SWIR-Bereich umwandeln. Der OPO arbeitet mit der doppelten Wiederholrate des Pumplasers und liefert stabile, abstimmbare SWIR-Pulse, die für hochempfindliche spektroskopische Anwendungen optimiert sind. Der bahnbrechende Ansatz des Teams integriert auch eine breitbandige Hochfrequenzmodulation des OPO-Ausgangs. Dies ermöglicht, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und so eine noch höhere Erkennungsgenauigkeit zu erzielen.

„Die Leistung unseres Lasersystems kann aufgrund der Leistungsskalierbarkeit von Ytterbium-Scheibenlasern auf eine höhere Durchschnitts- und Spitzenleistung skaliert werden. Der Einsatz des Systems zur genauen Detektion von Schadstoffen in Echtzeit ermöglicht bessere Einblicke in die Dynamik von Treibhausgasen. Dies könnte dazu beitragen, einige der größten Herausforderungen zu bewältigen, mit denen wir beim Verständnis des Klimawandels gegenübersehen“, sagte Anni Li, Doktorandin am MPL.

Die Fähigkeit des Lasers, hochleistungsfähige, stabile Impulse im SWIR-Bereich zu erzeugen, ist ein Meilenstein für die feldaufgelöste Spektroskopie und die Femtosekunden-Feldoskopie – Methoden, die es Forschern ermöglichen, eine Vielzahl von atmosphärischen Verbindungen mit minimaler Interferenz zu detektieren und zu analysieren.

„Diese neue Technologie ist nicht nur für die Atmosphärenüberwachung und Gassensorik anwendbar, sondern birgt auch Potenzial für andere wissenschaftliche Bereiche wie die Kommunikation zwischen Erde und ihrer Umlaufbahn, wo Laser mit hoher Bandbreitenmodulation erforderlich sind“, so Dr. Hanieh Fattahi, leitende Forscherin des Projekts. Die Forscher*innen planen, das System weiterzuentwickeln, um eine vielseitige Plattform für die Echtzeit-Überwachung von Schadstoffen und die optische Kommunikation zwischen Erde und Weltraum zu schaffen.

Die Bedeutung der Detektion klimarelevanter Luftschadstoffe für die Medizin und somit auch für die Labormedizin erschließt sich aus einer erst Ende Oktober 2024 publizierten Studie:

Neue globale Erkenntnisse im 8. jährlichen Indikatorenbericht des Lancet Countdown on Health and Climate Change zeigen, dass die Menschen in allen Ländern mit rekordverdächtigen Bedrohungen für ihre Gesundheit und ihr Überleben durch den raschen Klimawandel konfrontiert sind.

“Das Jahr 2023 war das wärmste seit Beginn der Aufzeichnungen, mit anhaltenden Dürren, tödlichen Hitzewellen, verheerenden Waldbränden, Stürmen und Überschwemmungen und katastrophalen Auswirkungen auf die Gesundheit, das Leben und die Lebensgrundlagen der Menschen weltweit”, heißt es in einer entsprechenden Mitteilung des Journals.

Original Paper:

0.7 MW Yb:YAG pumped degenerate optical parametric oscillator at 2.06 μm | APL Photonics | AIP Publishing

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