Molekulare Fingerabdrücke jenseits der Nyquist-Frequenz
Physik-News vom 25.04.2024
Die ultraschnelle Laserspektroskopie ermöglicht die Erfassung dynamischer Vorgänge auf extrem kurzen Zeitskalen, und macht sie damit zu einem sehr nützlichen Instrument für viele wissenschaftliche und industrielle Anwendungen.
Die ultraschnelle Laserspektroskopie ist ein leistungsstarkes Instrument zur Erfassung dynamischer Vorgänge auf extrem kurzen Zeitskalen. Sie findet breite Anwendung in wissenschaftlichen und industriellen Bereichen. Ein Nachteil dieser Technik ist jedoch die lange Messzeit, die oft Minuten bis Stunden in Anspruch nehmen kann.
Publikation:
Kilian Scheffter, Jonathan Will, Claudius Riek, Herve Jousselin, Sebastien Coudreau, Nicolas Forget, Hanieh Fattahi
Compressed Sensing of Field-resolved Molecular Fingerprint Beyond the Nyquist Frequency
Ultrafast Science (2024
DOI: 10.34133/ultrafastscience.0062
Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler nun eine innovative Methode entwickelt, die die spektroskopische Analyse beschleunigt. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden kürzlich im Journal of Ultrafast Science veröffentlicht.
Ultrakurze Pulse und ihre Rolle in der Spektroskopie
Ultrakurze Pulse spielen eine entscheidende Rolle in spektroskopischen Anwendungen. Dank ihrer großen spektralen Bandbreite ermöglichen sie die gleichzeitige Charakterisierung der Probe bei verschiedenen Frequenzen, ohne wiederholte Messungen oder Laserabstimmungen durchführen zu müssen. Die extreme zeitliche Begrenzung der Pulse erlaubt zudem eine genaue zeitliche Isolierung der Probenantwort. Diese Reaktionen reichen von einigen zehn Femtosekunden bis zu Nanosekunden und werden üblicherweise durch kürzere Pulse mit verschiedenen Zeitverzögerungen untersucht.
Die Echtzeitmessung mittels ultraschneller Spektroskopie stößt jedoch auf Hindernisse, insbesondere aufgrund der umfangreichen Datenerfassung. Jedes Pixel des breitbandigen Spektrums erfordert eine aufwendige Datenerfassung, was zu erheblichen Verzögerungen, längeren Verarbeitungszeiten und einem erhöhten Datenvolumen führt. Um diese Probleme zu überwinden, haben Forscher eine innovative Lösung entwickelt.
Compressed Sensing Algorithmus: Effiziente Datenrekonstruktion
Kilian Scheffter, Doktorand in der Gruppe „Femtosekunden-Feldoskopie“, erklärt den Ansatz: „Durch eine strategische Zufallsanordnung der Messpunkte kann der Compressed Sensing Algorithmus das Signal effizient rekonstruieren. Dadurch können weniger Datenpunkte verwendet werden, als vom Nyquist-Kriterium vorgegeben. Eine Herausforderung bestand jedoch darin, die zeitliche Überlappung zwischen den Messpulsen und den Femtosekunden-Anregungspulsen zufällig zu modulieren“.
In Zusammenarbeit mit Partnern in Deutschland und Frankreich haben die Forscher akustische Wellen erfolgreich eingesetzt, um diese zeitliche Überlappung zufällig zu modulieren. Diese innovative Methode erweitert die Anwendung der komprimierten Abtastung auf spektroskopische Messungen in Echtzeit.
Die Vorteile der beschleunigten Spektroskopie
Dr. Hanieh Fattahi betont die vielfältigen Vorteile der beschleunigten Zeitbereichsspektroskopie. Diese umfassen unter anderem die Vereinfachung der labelfreien Abbildung empfindlicher Proben, die Echtzeitüberwachung der Umwelt sowie die Freiluftdiagnostik von toxischen Gasen. Die beschleunigte Spektroskopie eröffnet neue Möglichkeiten für die molekulare Feldoskopie und bietet somit einen bedeutenden Fortschritt für die Forschung und Industrie.
Diese Newsmeldung wurde mit Material des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts via Informationsdienst Wissenschaft erstellt.
