NW/1: Quanten-Bildgebung und Spektroskopie im Mittleren Infrarot

Das zentrale Ziel des Projektes ist es, Quanten-Spektroskopie und Quanten-Bildgebung im mittleren Infrarot (MIR) basierend auf induzierter Quanten-Koh?renz erstmalig umzusetzen und als Methode zu etablieren. Quantenmechanisch verbesserte Messverfahren sind ein sich dynamisch entwickelnder Zweig der Quantenoptik, der beginnt, praxisnahe Anwendungen hervorzubringen. Diese Verfahren basieren auf Erkenntnissen zu den fundamentalen Grenzen klassischer Messungen und wie man diese mit quanten-mechanischen Lichtzust?nden überwinden kann. So kann man Abbés berühmte Abbildungsgrenze umgehen oder fundamentales Quanten-Rauschen unterdrücken, indem man Quanten-Verschr?nkung oder nicht-klassische Photonenstatistik ausnutzt. MIR-Licht mit Wellenl?ngen von 2 bis 20 μm hat einen au?erordentlich hohen wissenschaftlichen und technologischen Stellenwert, da hier die st?rksten und spezifischsten molekularen Absorptionsb?nder (Vibrationsmoden) liegen, z.B. von wichtigen Gasmolekülen oder von spezifischen chemischen Gruppen in biologischen Geweben. Daher ist dieser Wellenl?ngenbereich hervorragend für die molekulare Spektroskopie und spektral aufgel?ste Bildgebung geeignet mit breiten Anwendungspotential in der chemischen und bio-medizinischen Diagnostik. Allerdings gibt es gro?e technologische Hindernissen für praxisnahe MIR-Anwendungen. Der Hauptgrund hierfür ist, dass Detektoren, Kameras und Spektrometer fundamental um Gr??enordnungen schlechtere Rasch-Eigenschaften haben als solche, die im sichtbaren Spektralbereich operieren. Dies führt zu erheblichen Einschr?nkungen bei deren Sensitivit?t, Dynamikbereich, Signal-zu-Rausch-Verh?ltnis, erforderlicher Messzeit sowie r?umlicher und zeitlichen Aufl?sungsverm?gen. Au?erdem sind starke, kommerziellen MIR-Quellen, trotz vielversprechenden Fortschritts bei Quantenkaskaden-Lasern, Superkontinuum-Quellen, Frequenzk?mmen oder Synkrotronstrahlung immer noch viel komplexer, kostenintensiver und weniger robust als Laser im sichtbaren Spektralbereich wie z.B. Laserdioden. Mein Forschungsplan zielt darauf ab, diese Einschr?nkungen vollst?ndig zu überwinden, indem statt MIR-Detektoren und MIR-Laserquellen hoch entwickelte Kameras und Detektoren für den sichtbaren Spektralbereich verwendet werden. Dies wird durch einen erst kürzlich eingeführten Ansatz basierend auf induzierter Quanten-Koh?renz für die ?Quanten-mechanische Bildgebung mit nicht-detektierten Photonen“ (Nature 512, 409, 2014) erm?glicht. Dessen Verwirklichung im MIR ist nicht nur fundamental interessant, indem sie einen v?llig neuen Spektralbereich für quantenoptische Anwendungen er?ffnet, sondern ist auch h?chst relevant für einen breiten Bereich von Anwendungen in der chemischen Analytik sowie der medizinischen Forschung und Diagnostik. Darüber hinaus, da dieser Ansatz inh?rent auf Quantenverschr?nkung basiert, bietet er M?glichkeiten für quanten-mechanisch verbesserte Aufl?sung und Rauschverhalten sowie für ?u?erst schwache Beleuchtung für hyper-sensitive Proben.