Ein Instrument hat sich dabei in den vergangenen Jahren als besonders vielversprechend erwiesen: das Doppelkamm-Spektrometer. Es basiert auf der Interferenz zweier modengekoppelter ultraschneller Laser, die breite Frequenzkämme erzeugen. Diese bestehen aus gleichmäßig beabstandeten, schmalen Spektrallinien. Das Potenzial der Technologie ist groß: Sie könnte die breitbandige Spektroskopie grundlegend verändern.

Zwei Kämme, ein neues Messprinzip

Wie das funktioniert, beschreiben Nathalie Picqué vom Max-Born-Institut und der Humboldt-Universität zu Berlin sowie Theodor W. Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München in einem Übersichtsartikel. Darin geben die Autoren einen Überblick über die Prinzipien, Fortschritte und Zukunftsperspektiven der Doppelkamm-Spektroskopie und ihrer Anwendungen in der Atom- und Molekularwissenschaft.

Die Grundlage bildet der Frequenzkamm. Dabei handelt es sich um ein Spektrum phasenkohärenter, scharfer Laserlinien, die in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind. Solche Kämme, die auf modengekoppelten Femtosekundenlasern basieren, wurden in den 1990er Jahren am Max-Planck-Institut für Quantenoptik entwickelt und haben die Messung von Frequenz und Zeit nachhaltig verändert.

In der Frequenzmesstechnik dient ein Laserkamm als eine Art Maßstab im Frequenzraum. Er verbindet Mikrowellen- und optische Frequenzen auf praktische Weise miteinander und ermöglicht es zugleich, große Abstände zwischen optischen Frequenzen präzise zu vermessen.

Hohe Auflösung ohne bewegliche Teile

In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben Frequenzkämme neue Anwendungsfelder erschlossen. Eines davon ist die Doppelkamm-Spektroskopie. Sie begegnet einer der klassischen Herausforderungen der Spektroskopie: einen breiten Spektralbereich mit hoher Auflösung und Genauigkeit zu kombinieren.

Dafür werden zwei optische Frequenzkämme mit leicht unterschiedlichen Wiederholungsfrequenzen eingesetzt. Auf diese Weise lassen sich optische Spektren direkt in den Hochfrequenzbereich übertragen. Die Methode basiert auf Zeitbereichsinterferometrie und kommt ohne mechanisches Scannen aus. Das Ergebnis sind präzise, schnelle und breitbandige Messungen.

Gerade dieser Verzicht auf bewegliche Komponenten macht die Technologie für zahlreiche Anwendungen interessant. Wo klassische Spektrometer an Grenzen stoßen, eröffnet die Doppelkamm-Spektroskopie neue Möglichkeiten bei Geschwindigkeit, Genauigkeit und Miniaturisierung.

Vom Terahertz- bis in den sichtbaren Bereich

Die Entwicklung der Technologie hat in den vergangenen Jahren deutlich an Fahrt aufgenommen. Inzwischen wurde die Doppelkamm-Spektroskopie über weite Teile des elektromagnetischen Spektrums hinweg umgesetzt – vom Terahertz- bis zum sichtbaren Bereich. Aktuell arbeiten Forscherinnen und Forscher daran, die Methode auch für den Ultraviolettbereich zu erschließen.

In ihrem Beitrag stellen Picqué und Hänsch nicht nur die Grundlagen und repräsentative Anwendungen der Doppelkamm-Spektroskopie vor, sondern diskutieren auch die derzeitigen Grenzen des Verfahrens sowie mögliche Entwicklungsrichtungen.

Dabei heben sie hervor, dass das Doppelkamm-Interferometer einen grundlegend neuen Ansatz für die Breitbandspektroskopie bietet. Da die Messung nicht auf geometrischen Einschränkungen beruht, wird die erreichbare Auflösung ausschließlich durch die zeitliche Kohärenz bestimmt.

Perspektiven für die Industrie

Damit eröffnet die Technologie Perspektiven, die weit über die Grundlagenforschung hinausreichen. Neben Anwendungen in der Atom- und Molekularphysik könnten künftig auch kompakte und hochminiaturisierte Spektrometer entstehen. Für die industrielle Prozessüberwachung, die Umweltanalytik oder die biomedizinische Diagnostik wäre das ein entscheidender Schritt: hochpräzise Messungen in Echtzeit – auf immer kleinerem Raum.

Die Doppelkamm-Spektroskopie steht damit exemplarisch für eine Entwicklung, die viele Schlüsseltechnologien prägt: mehr Präzision, mehr Geschwindigkeit und weniger Komplexität. Aus zwei fein abgestimmten Laser-Frequenzkämmen könnte so eine neue Generation spektroskopischer Messsysteme hervorgehen.

Originalpublikationen:
Picqué, N., & Hänsch, T. W. (2026). Dual-comb spectroscopy. Nature Reviews Methods Primers, 6, Article 36. DOI:10.1038/s43586-026-00481-8

Max-Born-Institut. (2026). Zum Tango braucht es zwei Kämme. https://mbi-berlin.de/research/highlights/details/it-takes-two-combs-to-tango

Quelle: Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.