Laserspektroskopie: Grundlagen und Techniken
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| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Berlin [u.a.]
Springer
2000
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| Edition: | 4., erw. und neubearb. Aufl. |
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| adam_text | Titel: Laserspektroskopie
Autor: Demtröder, Wolfgang
Jahr: 2000
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung........................................................................1
2. Emission und Absorption von Licht......................................5
2.1 Die Moden des elektromagnetischen Feldes
in einem Hohlraum........................................................5
2.2 Thermische Strahlung; Planck sches Gesetz..........................8
2.3 Absorption, induzierte und spontane Emission,
Einstein-Koeffizienten..........................11
2.4 Grundbegriffe der Strahlungsmessung................14
2.5 Polarisation von Licht ..........................19
2.6 Absorption und Dispersion.......................21
2.6.1 Linienspektren und kontinuierliche Spektren........21
2.6.2 Klassisches Modell........................23
2.6.3 Oszillatorenstarken und Einstein-Koeffizienten......28
2.7 Ubergangswahrscheinlichkeiten....................32
2.7.1 Lebensdauer angeregter Zustande...............32
2.7.2 Semiklassische Behandlung
der Ubergangswahrscheinlichkeit...............33
2.8 Koharenz..................................35
2.8.1 Koharenz eines Strahlungsfeldes ...............36
2.8.2 Zeitliche Koharenz........................37
2.8.3 Raumliche Koharenz.......................39
2.8.4 Koharenzvolumen.........................40
2.8.5 Koharenz atomarer Zustande..................43
3. Linienbreiten und Profile von Spektrallinien ............47
3.1 Natiirliche Linienbreite .........................48
3.2 Doppler-Verbreiterung .........................52
3.3 Stofiverbreiterung von Spektrallinien.................57
3.4 Homogene und inhomogene Linienverbreiterung .........64
3.5 Sattigungsverbreiterung.........................65
3.5.1 Anderung der Besetzungsdichten durch optisches Pumpen 65
3.5.2 Sattigungsverbreiterung von Absorptionslinien.......70
3.6 Flugzeit-Linienbreiten..........................VI
3.7 Linienbreiten in Fliissigkeiten und Festkorpern ..........74
IX
4. Experimentelle Hilfsmittel des Spektroskopikers
4.1 Spektrographen und Monochromatoren .....
4.1.1 Grundbegriffe.................
4.1.2 Prismenspektrograph.............
4.1.3 Gitterspektrograph..............
4.2 Interferometer.....................
4.2.1 Michelson-Interferometer..........
4.2.2 Vielstrahlinterferenz.............
4.2.3 Ebenes Fabry-Perot-Interferometer . . . .
4.2.4 Konfokales Interferometer.........
4.2.5 Dielektrische Vielfachschichten......
4.2.6 Interferenzfilter................
4.2.7 Durchstimmbare Interferometer......
4.2.8 Lyot-Filter...................
4.3 Auflosungsvermogen und Lichtstarke (
von Spektrometern und Interferometern ....
4.4 Moderne Methoden der Wellenlangen-Messung
4.4.1 Das Michelson-Lambdameter ......
4.4.2 Sigmameter .................
4.4.3 Computergesteuertes
Fabry-Perot-WellenlangenmeBgerat . . .
4.4.4 Fizeau-Lambdameter............
4.5 Detektoren......................
4.5.1 Thermische Detektoren..........
4.5.2 Photodioden .................
a) Photoleiter....................................................*51
b) Photovoltaische Detektoren................................153
c) Lawinendioden ..............................................155
d) Schnelle Photodioden ......................................156
4.5.3 Diodenanordnungen und CCD-Detektoren ................159
4.5.4 Photomultiplier ..................................................162
a) Zeitliche Schwankungen
der einfallenden Lichtleistung............................164
b) Dunkelstrom des Photomultipliers........................164
c) Statistische Schwankungen des Multiplikationsfaktors 6
und daher auch des Verstarkungsfaktors G ............165
d) Widerstandsrauschen........................................165
4.5.5 Photonenzahlmethode ..........................................165
4.5.6 Bildverstarker und optische Vielkanal-Analysatoren . . 166
5. Der Laser als spektroskopische Lichtquelle ........................170
5.1 Elementare Grundlagen des Lasers..................................170
5.1.1 Schwellwertbedingung..........................................171
x
. 77
. 78
. 79
. 85
. 87
. 93
. 95
. 99
106
111
114
117
119
122
126
130
131
135
137
141
142
145
151
5.1.2 Bilanzgleichungen ..............................................173
5.2 Optische Resonatoren ..................................................175
5.2.1 Offene Resonatoren ............................................177
5.2.2 Raumliche Modenstrukturen im offenen Resonator . . . 180
5.2.3 Beugungsverluste offener Resonatoren......................184
5.2.4 Stabile und instabile Resonatoren............................186
5.2.5 Frequenzspektrum passiver optischer Resonatoren . . . 190
5.3 Laser-Moden..............................................................193
5.3.1 Frequenzspektrum des aktiven Resonators ................193
5.3.2 Beeinflussung der Modenfrequenz
durch das aktive Medium ......................................196
5.3.3 Verstarkungssattigung und Modenwechselwirkung . . . 197
5.3.4 Das Frequenzspektrum realer Mehrmoden-Laser .... 201
5.4 Experimented Realisierung von stabilen Einmoden-Lasern . . 203
5.4.1 Linien-Selektion ................................................204
5.4.2 Moden-Selektion ................................................205
5.4.3 Intensitatsstabilisierung ........................................212
5.4.4 Wellenlangenstabilisierung von Lasern......................214
5.4.5 Kontrollierte Wellenlangendurchstimmung ........220
5.4.6 Wellenlangeneichung ..........................................225
5.5 Linienbreiten von Einmoden-Lasern . . . .........................227
5.6 Durchstimmbare Laser ................................................231
5.6.1 Halbleiterlaser....................................................233
5.6.2 Durchstimmbare vibronische Festkorperlaser..............237
5.6.3 Farbzentrenlaser ................................................239
5.6.4 Farbstofflaser....................................................244
5.6.5 Excimer-Laser....................................................255
5.7 Koharente Strahlungsquellen durch nichtlineare
Frequenzverdoppelung und Mischung ..............................258
5.7.1 Grundlagen........................................................258
5.7.2 Optische Frequenzverdopplung ..............................262
5.7.3 Frequenzmischung ..............................................267
5.7.4 Rontgen-Laser....................................................272
5.7.5 Differenzfrequenz-Spektrometer ............................273
5.7.6 Optische parametrische Oszillatoren ........................277
5.7.7 Raman-Frequenz-Konversion.................280
6. Doppler-begrenzte Absorptions- und Fluoreszenz-
Spektroskopie mit Lasern ................................................282
6.1 Vorteile des Lasers fur die Spektroskopie..........................282
6.2 Empfindliche Verfahren der Absorptionsspektroskopie .... 286
6.2.1 Frequenzmodulation des Lasers ..............................286
XI
6.2.2 Absorptionsspektroskopie
innerhalb des Laserresonators ................
6.2.3 Absorptionsmessung iiber die Abklingzeit
eines optischen Resonators..................
6.3 Direkte Messung der absorbierten Photonen ........... 2^°
6.3.1 Anregungsspektroskopie ...................
6.3.2 Photoakustische Spektroskopie ...............^
6.3.3 lonisationsspektroskopie ...................303
6.3.4 Optogalvanische Spektroskopie ...............310
6.3.5 Optothermische Spektroskopie................ 313
6.4 Magnetische Resonanz-und Stark-Spektroskopie mit Lasern . 316
6.5 Geschwindigkeitsmodulations-Spektroskopie........... 319
6.6 Laserinduzierte Fluoreszenz ..................... 321
6.7 Vergleich zwischen den verschiedenen Verfahren........ 328
7. Nichtlineare Spektroskopie ..............................................330
7.1 Lineare und nichtlineare Absorption................330
7.2 Sattigung inhomogen verbreiterter Absorptionsiibergange . . . 335
7.3 Sattigungs-Spektroskopie ..............................................341
7.4 Polarisations-Spektroskopie ..........................................351
7.4.1 Anschauliche Darstellung......................................351
7.4.2 Die Frequenzabhangigkeit des Polarisationssignals . . 352
7.4.3 GroBe der Polarisationssignale..............................357
7.4.4 Empfindlichkeit der Polarisations-Spektroskopie . . . 360
7.5 Mehrphotonen-Spektroskopie ......................................363
7.5.1 Grundlagen der Zweiphotonen-Absorption ..............363
7.5.2 Doppler-freie Zweiphotonen-Spektroskopie..............366
7.5.3 Abhangigkeit des Zweiphotonen-Signals .
von der Fokussierung ........................................371
7.5.4 Mehrphotonen-Spektroskopie ..............................373
7.6 Anwendungsbeispiele und spezielle Techniken
der nichtlinearen Spektroskopie....................................375
8. Laser-Raman-Spektroskopie ..........................................381
8.1 Grundlagen................................................331
8.2 Neuere Techniken der Linearen Raman-Spektroskopie .... 386
8.3 Nichtlineare Raman-Spektroskopie................................392
8.3.1 Induzierte Raman-Streuung..................................393
8.3.2 Koharente Anti-Stokes Raman-Spektroskopie ..........398
8.3.3 Resonante CARS und Box-CARS.............402
8.3.4 Hyper-Raman-Effekt ....................404
8.4 Anwendungen der nichtlinearen Raman-Spektroskopie .... 405
XII
9. Laserspektroskopie in Molekularstrahlen..........................409
9.1 Reduktion der Doppler-Breite in kollimierten Strahlen .... 409
9.2 Abkiihlung von Molekiilen in Uberschallstrahlen .......416
9.3 Nichtlineare Spektroskopie in Molekularstrahlen .......425
9.4 Kollineare Laserspektroskopie in schnellen Ionenstrahlen .. 427
9.5 Spektroskopie in kalten Ionenstrahlen .............. 433
10. Optisches Pumpen und Doppelresonanz-Verfahren ............438
10.1 Optisches Pumpen ..................................................439
10.2 Optische/Radiofrequenz-Doppelresonanz......................444
10.2.1 Grundlagen..................................................444
10.2.2 Laser-Hochfrequenz-Doppelresonanz-Spektroskopie
in Molekularstrahlen......................................447
10.3 Optische/Mikrowellen-Doppelresonanz ........................449
10.4 Optische/Optische Doppelresonanz..............................454
10.4.1 Vereinfachung komplexer Absorptionsspektren .. 455
10.4.2 Stufenweise Anregung und Spektroskopie
von Rydberg-Zustanden..................................459
10.4.3 Resonante, induzierte Raman-Streuung ..............467
10.5 Spezielle Doppelresonanz-Techniken..............470
10.5.1 Polarisations-Markierung................470
10.5.2 Mikrowellen/Optische Doppelresonanz-
Polarisations-Spektroskopie ............................472
11. Zeitaufgeloste Laserspektroskopie ..................................473
11.1 Erzeugung kurzer Lichtpulse......................................473
11.1.1 Zeitverhalten gepulster Laser............................473
11.1.2 Giiteschaltung von Laserresonatoren..................475
11.1.3 Modenkopplung und Pikosekundenpulse.......480
a) Aktive Modenkopplung ...............480
b) Passive Modenkopplung..............................484
c) Synchrones Pumpen ..................................486
11.1.4 Erzeugung von Femtosekunden-Pulsen ..............488
a) Der CPM-Farbstofflaser ............................489
b) Optische Pulskompression ..........................493
c) Ultrakurze Pulse mit Festkorperlasern............499
11.1.5 Solitonenlaser..............................................502
11.1.6 Erzeugung leistungsstarker ultrakurzer Pulse .... 504
11.2 Messung kurzer Lichtpulse........................................507
11.2.1 Streakkamera ..............................................507
11.2.2 Optischer Korrelator
zur Messung kurzer Lichtpulse ........................509
11.3 Lebensdauermessungen mit Lasern..............................515
XIII
12.
11.3.1 Die Phasenmethode ......................................517
11.3.2 Messung der Abklingkurve
nach Einzelpulsanregung ................................519
11.3.3 Die Methode der verzogerten Koinzidenzen .... 520
11.3.4 Lebensdauermessungen in schnellen Atom-
und Ionenstrahlen..........................................522
11.4 Spektroskopie im Piko- und Femtosekundenbereich .... 525
11.4.1 StoBinduzierte Relaxation von Molekiilen
in Fliissigkeiten............................................526
11.4.2 Elektronische Relaxation in Halbleitern..............527
11.4.3 Untersuchung molekularer Dynamik
auf der Femtosekundenskala............................527
Koharente Spektroskopie................................................531
12.1 Level-Crossing-Spektroskopie....................................532
12.1.1 Grundlagen..................................................533
12.1.2 Quantenmechanisches Modell ..........................537
12.2 Quantenbeat-Spektroskopie........................................538
12.3 Photonen-Echo ......................................................544
12.4 Optische Nutation und freier Induktionszerfall................549
12.5 Optische Pulszug-Interferenzspektroskopie....................551
12.6 Koharente Uberlagerungsspektroskopie........................553
12.7 Korrelations-Spektroskopie.................... 555
12.7.1 Messung des Homodyn-Spektrums .......... 559
12.7.2 Heterodyne Korrelations-Spektroskopie....... 561
13. Laserspektroskopie von StoBprozessen .............. 563
13.1 Hochauflosende Laserspektroskopie der StoBverbreiterung
und Verschiebung von Spektrallinien.............. 564
13.2 Messung inelastischer StoBquerschnitte durch LIF .....569
13.2.1 StoB-Satelliten im Fluoreszenzspektrum.......570
13.2.2 Andere Verfahren zur Messung von StoBen
im angeregten Zustand ................. 573
13.2.3 StoBe zwischen angeregten Atomen ......... 575
13.3 Spektroskopische Bestimmung inelastischer StoBprozesse
im elektronischen Grundzustand................. 578
13.3.1 Zeitaufgeloster Fuoreszenznachweis......... 579
13.3.2 Zeitaufgeloste Absorptions-
und Doppelresonanz-Methode.............580
13.3.3 StoB-Spektroskopie im Grundzustand
mit kontinuierlichen Lasern .............. 583
13.4 Spektroskopische Messung differentieller StoBquerschnitte
in gekreuzten Molekularstrahlen............... . 586
XIV
13.5 Spektroskopie reaktiver StoBprozesse ..........................592
13.6 StoBe im Strahlungsfeld eines Lasers............................597
14. Neuere Entwicklungen in der Laserspektroskopie..............601
14.1 Optische Ramsey-Resonanzen....................................601
14.1.1 Grundlagen der Ramsey-Interferenzen................601
14.1.2 Zweiphotonen Ramsey-Resonanzen ..................606
14.1.3 Nichtlineare Ramsey-Interferenzen....................609
14.2 PhotonenriickstoB ..................................................612
14.3 Optisches Kiihlen und Speichern von Atomen ................617
14.3.1 Optisches Kiihlen durch PhotonenriickstoB ..........617
14.3.2 Optische Melasse..........................................624
14.3.3 Magneto-optische Falle ..................................627
14.3.4 Grenzen der optischen Kiihlung........................630
14.3.5 Krafte auf einen induzierten Dipol im Lichtfeld .. 634
14.3.6 Bose-Einstein-Kondensation............................636
14.4 Spektroskopie an einzelnen Ionen................................641
14.4.1 Ionenfallen..................................................641
14.4.2 Seitenbandkiihlung........................................644
14.4.3 Direkte Beobachtung von Quantenspriingen .... 646
14.4.4 Wigner-Kristalle in Ionenfallen ........................648
14.5 Der Einatom-Maser ................................................650
14.6 Auflosung innerhalb der naturlichen Linienbreite............653
14.7 Absolute optische Frequenzmessung und Frequenzstandard 661
14.8 Kann man das Photonenrauschen iiberlisten?..................666
14.8.1 Phasen- und Amplitudenschwankungen
des Lichtfeldes ............................................666
14.8.2 Quetschzustande ..........................................669
14.8.3 Realisierung von Quetschzustanden....................671
14.8.4 Anwendungen der „Squeezing-Technik
auf Gravitationswellen-Detektoren ....................672
15. Anwendungen der Laserspektroskopie..............................675
15.1 Anwendungen in der Chemie......................................675
15.1.1 Laserspektroskopie in der analytischen Chemie .. 676
15.1.2 Laserinduzierte chemische Reaktionen................678
15.2 Isotopentrennung mit Lasern......................................683
15.3 Laserspektroskopie
in der Umwelt- und Atmospharenforschung....................685
15.3.1 Absorptionsmessungen ..................................686
15.3.2 Atmospharenmessungen
mit Hilfe des LIDAR-Verfahrens ......................688
15.3.3 Analytik von Verunreinigungen in Fliissigkeiten . . 693
xv
15.4 Anwendungen auf technische Probleme............695
15.4.1 Untersuchung von Verbrennungsvorgangen..........695
15.4.2 Einsatz der Laserspektroskopie
in der Materialforschung ................................698
15.4.3 Messung von Stromungsgeschwindigkeiten
von Gasen .........................700
15.5 Anwendungen in der Biologie ....................................702
15.5.1 Energietransfer in DNA-Komplexen.........702
15.5.2 Zeitaufgeloste Messungen biologischer Prozesse . 704
15.5.3 Korrelationsspektroskopie
von Mikrobenbewegungen ...............705
15.5.4 Lasermikroskop......................706
15.6 Medizinische Anwendungen...................707
15.6.1 Anwendung der Raman-Spektroskopie
in der Medizin..............................................708
15.6.2 Tumordiagnose und Therapie .............709
15.6.3 Laserlithotripsie............................................711
15.6.4 Weitere Anwendungen der Laserspektroskopie
in der Medizin..............................................713
Literatur..................................................................715
Sachverzeichnis..........................................77
XVI
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