Arbeitsgruppe Prof. Demtroeder

Hochempfindliche Absorptionsspektroskopie mit Diodenlasern

Holger Wenz, wenz@physik.uni-kl.de

Laserdioden haben durch ihre überwältigenden Vorteile (kompakt, einfache Handhabung, hoher Wirkungsgrad, preiswert) in den letzten Jahren eine immer stärkere Verbreitung als Laserquelle gefunden, wobei besonders im nahen Infrarot von 800nm -1550nm eine Vielzahl von Wellenlängen zur Verfügung stehen und eine Nutzung für die Spektroskopie nahelegen.

Für die spektroskopische Anwendung von Laserdioden ist es sinnvoll, zwei Betriebsarten zu unterscheiden:

 

den Betrieb bei einer einzigen Absorptionslinie eines Moleküls, entweder um die Stärke der Absorption zu bestimmen (Spurengasnachweis) oder um die Laserfrequenz auf diese Absorptionslinie zu stabilisieren (Erzeugung einer Referenzwellenlänge)

den kontinuierlich durchstimmbaren Betrieb, um ein Spektrum mit Informationen über Wellenlänge und Stärke von vielen Absorptionslinien zuerhalten

Die im nahen Infrarot liegenden Absorptionslinien gehören zu Schwingungsbanden, bei denen die Grundschwingungen des Moleküls mehrfach angeregt sind und die daher Kombinationsschwingungen oder Obertonübergänge genannt werden. Diese Übergänge sind nun aber wesentlich schwächer als die einfache Grundschwingung eines Moleküls, so daß an die Empfindlichkeit der Nachweistechnik hohe Anforderungen gestellt werden.

Obwohl dies natürlich zuerst ein großer Nachteil für den Spurengasnachweis ist, kann dieser Nachteil durch die in diesem Wellenlängenbereich besser und mit relativ geringem Aufwand zu erreichende hohe Nachweisempfindlichkeit kompensiert werden.

Weil sehr schwache Übergänge auch eine sehr geringe natürliche Linienbreite besitzten, werden in Verbindung mit einer dopplerfreien Nachweismethode (z. B. Sättigungsspektroskopie) Obertonübergänge auch als präzises Frequenznormal verwendet.

Für die Aufnahme von Spektren ist es nötig, den Laser über einen möglichst großen Wellenlängenbereich abstimmen zu können. Dies ist prinzipiell mit einer Strom- und Temperaturänderung der Laserdiode möglich, aber nicht kontinuierlich und über das gesamte Verstärkungsprofil der Laserdiode. Eine Verbesserung dieser Eigenschaften kann erreicht werden, indem eine Seite der Laserdiode entspiegelt wird und durch einen externen Spiegel mit einem dazwischenliegenden Gitter ersetzt wird (Abb. 1). Hierdurch kann die Länge des Laserresonators und die bevorzugte Wellenlänge mechanisch kontrolliert werden. Mit einem solchen selbstgebauten Diodenlaser mit externem Resonator steht uns nun eine geeignete spektroskopische Laserquelle zur Verfügung.

 

 

Abb.1 Schematischer Aufbau des Littman-Diodenlasers

Die Fragestellungen in der heutigen Infrarotspektroskopie

die Anharmonizität des Schwingungspotentials, durch welche die Obertöne überhaupt erst ermöglicht werden

der Übergang zwischen Normalmodenmodell und Lokalmodenmodell, bei dem nicht mehr die Schwingungen des ganzen Moleküls beschrieben werden, sondern die Schwingungen eines Molekülteils unabhängig von den Schwingungen des Molekülrestes

Störungen, die durch zufällige Entartung bei hochangeregten Kombinationsschwingungen durch die hohe Zahl der Zustände entstehen.

beziehen sich auf sehr hochangeregte Schwingungsniveaus, welche zu sehr schwachen Absorptionslinien führen.

Um hierzu die größtmögliche Empfindlichkeit zu erreichen, wurden verschiedene Techniken der Modulationsspektroskopie (Wellenlängenmodulation, 1-Ton und 2-Ton Modulation) optimiert und z. T. mit anderen Verfahren kombiniert, um eine Nachweisempfindlichkeit in der Nähe des theoretischen Quantenrauschlimits zu erreichen. Abb.2 zeigt einen Versuchsaufbau, bei dem die Wellenlängenspektroskopie (WMS) mit einer hochempfindlichen Zweistrahl-Verhältnismessung durch einen Balanced Ratiometric Detector (BRD) kombiniert wurde.

Abb.2 Versuchsaufbau zur Wellenlängenspektroskopie mit Balanced Ratiometric Detector

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