Laserspektroskopie: Grundlagen und Techniken
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
2007
|
| Ausgabe: | 5., erw. und neubearb. Aufl. |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XV, 726 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783540337928 354033792X |
Internformat
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|---|---|
| adam_text | 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........................................... 10
2.4 Grundbegriffe der Strahlungsmessung............................ 13
2.5 Polarisation von Licht........................................... 17
2.6 Absorption und Dispersion...................................... 18
2.6.1 Linienspektren und kontinuierliche Spektren.............. 18
2.6.2 Klassisches Modell....................................... 20
2.6.3 Oszillatorenstärken und Einstein-Koeffizienten............ 24
2.7 Übergangswahrscheinlichkeiten ................................. 27
2.7.1 Lebensdauer angeregter Zustände......................... 27
2.7.2 Semiklassische Behandlung
der Übergangswahrscheinlichkeit......................... 29
2.8 Kohärenz ...................................................... 30
2.8.1 Kohärenz eines Strahlungsfeldes.......................... 31
2.8.2 Zeitliche Kohärenz....................................... 32
2.8.3 Räumliche Kohärenz..................................... 33
2.8.4 Kohärenzvolumen....................................... 35
2.8.5 Kohärenz atomarer Zustände............................. 37
3 Linienbreiten und Profile von Spektrallinien......................... 41
3.1 Natürliche Linienbreite ......................................... 42
3.2 Doppler-Verbreiterung.......................................... 45
3.3 Stoßverbreiterung von Spektrallinien............................. 49
3.4 Homogene und inhomogene Linienverbreiterung................. 55
3.5 Sättigungsverbreiterung......................................... 56
3.5.1 Änderung der Besetzungsdichten durch optisches Pumpen 57
3.5.2 Sättigungsverbreiterung von Absorptionslinien............ 60
3.6 Flugzeit-Liiüenbreiten........................................... 62
3.7 Linienbreiten in Flüssigkeiten und Festkörpern ................... 65
Inhaltsverzeichnis
Experimentelle Hilfsmittel des Spektroskopikers..................... 67
4.1 Spektrographen und Monochromatoren.......................... 68
4.1.1 Grundbegriffe........................................... 69
4.1.2 Prismenspektrograph.................................... 74
4.1.3 Gitterspektrograph ...................................... 76
4.2
4.2.1 Michelson-
4.2.2 Vielstrahlinterferenz..................................... 86
4.2.3 Planparalleles Fabry-Perot-Interferometer................. 92
4.2.4 Konfokales
4.2.5 Dielektrische Vielfachschichten........................... 99
4.2.6 Interferenzfilter.......................................... 102
4.2.7 Durchstimmbare
4.2.8 Lyot-Filter.............................................. 106
4.3 Auflösungsvermögen und Lichtstärke von
und Interferometern............................................ 110
4.4 Moderne Methoden der Wellenlängen-Messung .................. 113
4.4.1 Das Michelson-Lambdameter ............................ 114
4.4.2
4.4.3 Computergesteuertes Fabry-Perot-Wellenlängenmessgerät .. 119
4.4.4 Fizeau-Lambdameter.................................... 122
4.5 Detektoren..................................................... 124
4.5.1 Thermische Detektoren.................................. 126
4.5.2 Photodioden............................................ 131
4.5.3 Diodenanordnungen und CCD-Detektoren ............... 138
4.5.4 Photomultiplier ......................................... 141
4.5.5 Photonenzählmethode................................... 145
4.5.6 Bildverstärker und optische Vielkanal-Analysatoren........ 146
Der Laser als spektroskopische Lichtquelle........................... 149
5.1 Elementare Grundlagen des Lasers............................... 149
5.1.1 Schwellwertbedingung................................... 150
5.1.2 Bilanzgleichungen....................................... 152
5.2 Optische Resonatoren........................................... 154
5.2.1 Offene Resonatoren...................................... 155
5.2.2 Räumliche Modenstrukturen im offenen Resonator........ 157
5.2.3 Beugungsverluste offener Resonatoren .................... 162
5.2.4 Stabile und instabile Resonatoren......................... 163
5.2.5 Frequenzspektrum passiver optischer Resonatoren......... 166
5.3 Laser-Moden................................................... 169
5.3.1 Frequenzspektrum des aktiven Resonators................. 169
5.3.2 Beeinflussung der Modenfrequenz
durch das aktive Medium ................................ 171
5.3.3 Verstärkungssättigung und Modenwechselwirkung......... 172
5.3.4 Das Frequenzspektrum realer Mehrmoden-Laser.......... 176
Inhaltsverzeichnis
5.4 Experimentelle Realisierung von stabilen Einmoden-Lasern....... 178
5.4.1 Linien-Selektion......................................... 178
5.4.2 Moden-Selektion........................................ 179
5.4.3 Intensitätsstabilisierung.................................. 186
5.4.4 Wellenlängenstabilisierung von Lasern.................... 187
5.4.5 Kontrollierte Wellenlängendurchstirnmung ............... 194
5.4.6 Wellenlängeneichung.................................... 197
5.5 Linienbreiten von Einmoden-Lasern.............................200
5.6 Durchstimmbare Laser.......................................... 203
5.6.1 Halbleiterlaser........................................... 204
5.6.2 Durchstimmbare vibronische Festkörperlaser ............. 209
5.6.3 Farbzentrenlaser......................................... 211
5.6.4 Farbstofflaser............................................ 215
5.6.5 Excimer-Laser........................................... 226
5.7 Kohärente Strahlungsquellen durch nichtlineare
Frequenzverdoppelung und Mischung............................ 228
5.7.1 Grundlagen............................................. 229
5.7.2 Optische Frequenzverdopplung........................... 233
5.7.3 Frequenzmischung ...................................... 238
5.7.4 Erzeugung kohärenter VUV-Strahlung.................... 239
5.7.5 Röntgen-Laser .......................................... 242
5.7.6
5.7.7 Optische parametrische Oszillatoren......................246
5.7.8
Doppler-begrenzte
mit Lasern.......................................................... 251
6.1 Vorteile des Lasers für die Spektroskopie ......................... 251
6.2 Empfindliche Verfahren der Absorptionsspektroskopie............ 256
6.2.1 Frequenzmodulation des Lasers ..........................256
6.2.2 Absorptionsspektroskopie durch Messung der Abklingzeit
eines optischen Resonators...............................260
6.2.3 Absorptionsspektroskopie innerhalb des Laserresonators ... 263
6.3 Direkte Messung der absorbierten Photonen......................268
6.3.1 Anregungsspektroskopie.................................268
6.3.2 Photoakustische Spektroskopie........................... 271
6.3.3 Ionisationsspektroskopie................................. 274
6.3.4 Optogalvanische Spektroskopie........................... 279
6.3.5 Optothermische Spektroskopie........................... 282
6.4 Magnetische Resonanz- und Stark-Spektroskopie mit Lasern.......285
6.5 Geschwindigkeitsmodulations-Spektroskopie..................... 288
6.6 Laserinduzierte Fluoreszenz.....................................290
6.7 Vergleich zwischen den verschiedenen Verfahren ................. 295
XII Inhaltsverzeichnis
7 Nichtlineare Spektroskopie..........................................299
7.1 Lineare und nichtlineare Absorption.............................299
■ 7.2 Sättigung inhomogen verbreiterter Absorptionsübergänge.........303
7.3 Sättigungs-Spektroskopie........................................308
7.4 Polarisations-Spektroskopie ..................................... 317
7.4.1 Anschauliche Darstellung................................ 317
7.4.2 Die Frequenzabhängigkeit des Polarisationssignals......... 319
7.4.3 Größe der Polarisationssignale............................ 322
7.4.4 Empfindlichkeit der Polarisations-Spektroskopie........... 326
7.5 Mehrphotonen-Spektroskopie................................... 328
7.5.1 Grundlagen der Zweiphotonen-Absorption................ 328
7.5.2 Doppler-freie Zweiphotonen-Spektroskopie ............... 331
7.5.3 Abhängigkeit des Zweiphotonen-Signals
von der Fokussierung.................................... 335
7.5.4 Mehrphotonen-Spektroskopie............................ 336
7.6 Anwendungsbeispiele und spezielle Techniken
der nichtlinearen Spektroskopie.................................. 338
8 Laser-Raman-Spektroskopie......................................... 345
8.1 Grundlagen.................................................... 345
8.2 Neuere Techniken der linearen Raman-Spektroskopie.............349
8.3 Nichtlineare Raman-Spektroskopie............................... 355
8.3.1 Induzierte
8.3.2 Kohärente Anti-Stokes Raman-Spektroskopie..............360
8.3.3
8.3.4 Hyper-Raman-Effekt..................................... 365
8.4 Anwendungen der nichtlinearen Raman-Spektroskopie............366
9 Laserspektroskopie in Molekularstrahlen.............................369
9.1 Reduktion der Doppier-Breite in kollimierten Strahlen ............ 369
9.2 Abkühlung von Molekülen in Überschallstrahlen.................. 375
9.3 Nichtlineare Spektroskopie in Molekularstrahlen.................. 382
9.4 Kollineare Laserspektroskopie in schnellen Ionenstrahlen.......... 385
9.5 Spektroskopie in kalten Ionenstrahlen............................ 390
9.6 Massenselektive Laserspektroskopie in Molekularstrahlen.......... 391
10 Optisches Pumpen und Doppelresonanz-Verfahren................... 397
10.1 Optisches Pumpen.............................................. 398
10.2 Optische/Radiofrequenz-Doppelresonanz........................403
10.2.1 Grundlagen.............................................403
10.2.2 Laser-Hochfrequenz-Doppelresonanz-Spektroskopie
in Molekularstrahlen.....................................405
10.3 Optische/ Mikrowellen-Doppelresonanz..........................408
10.4 Optische/ Optische Doppelresonanz............................. 412
10.4.1 Vereinfachung komplexer Absorptionsspektren............ 412
Inhaltsverzeichnis XIII
10.4.2 Stufenweise Anregung und Spektroskopie
von Rydberg-Zuständen.................................. 416
10.4.3 Molekulare Rydbergzustände............................. 421
10.4.4
10.4.5 Beispiele für Doppelresonanz-Experimente................427
10.5 Spezielle Doppelresonanz-Techniken............................. 428
10.5.1 Polarisations-Markierung................................428
10.5.2 Mikrowellen/Optische Doppelresonanz-Polarisations-
Spektroskopie ........................................... 430
10.5.3 STIRAP-Technik ........................................430
11 Zeitaufgelöste Laserspektroskopie................................... 433
11.1 Erzeugung kurzer Lichtpulse .................................... 433
11.1.1 Zeitverhalten gepulster Laser............................. 433
11.1.2 Güteschaltung von Laserresonatoren...................... 435
11.1.3 Modenkopplung und Pikosekundenpulse.................. 439
11.1.4 Erzeugung von Femtosekunden-Pulsen ...................447
11.1.5 Erzeugung durchstimmbarer kurzer Pulse................. 459
11.1.6 Solitonenlaser...........................................462
11.1.7 Erzeugung leistungsstarker ultrakurzer Pulse..............464
11.1.8 Der Vorstoß in den Attosekunden-Bereich.................467
11.2 Messung kurzer Lichtpulse......................................469
11.2.1 Streakkamera ...........................................469
11.2.2 Optischer Korrektor zur Messung kurzer Lichtpulse....... 471
11.2.3 FROG-Technik.......................................... 477
11.2.4 SPIDER-Technik ........................................477
11.3 Lebensdauermessungen mit Lasern..............................479
11.3.1 Die Phasenmethode..................................... 481
11.3.2 Messung der Abklingkurve nach Einzelpulsanregung.......483
11.3.3 Die Methode der verzögerten Koinzidenzen...............484
11.3.4 Lebensdauermessungen in schnellen Atom-
und Ionenstrahlen.......................................486
11.4 Spektroskopie im
11.4.1 Stoßinduzierte Relaxation von Molekülen in Flüssigkeiten .. 490
11.4.2 Elektronische Relaxation in Halbleitern ...................490
11.4.3 Untersuchung molekularer Dynamik
auf der Femtosekundenskala.............................. 491
12 Kohärente Spektroskopie............................................ 495
12.1 Level-Crossing-Spektroskopie ...................................496
12.1.1 Grundlagen.............................................497
12.1.2 Quantenmechanisches Modell............................500
12.2 Quantenbeat-Spektroskopie..................................... 501
12.3 Photonen-Echo.................................................506
12.4 Optische
XIV Inhaltsverzeichnis
12.5 Optische Pulszug-Interferenzspektroskopie....................... 513
12.6 Kohärente Überlagerungsspektroskopie .......................... 515
12.7 Korrelations-Spektroskopie...................................... 517
12.7.1 Messung des Homodyn-Spektrums....................... 520
12.7.2 Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie................... 522
12.7.3
13 Laserspektroskopie von Stoßprozessen............................... 525
13.1 Hochauflösende Laserspektroskopie der Stoßverbreiterung
und Verschiebung von Spektrallinien............................. 526
13.2 Messung inelastischer Stoßquerschnitte durch LIF................. 531
13.2.1 Stoß-Satelliten im Fluoreszenzspektrum................... 531
13.2.2 Andere Verfahren zur Messung von Stößen
im angeregten Zustand................................... 534
13.2.3 Stöße zwischen angeregten Atomen....................... 536
13.3 Spektroskopische Bestimmung inelastischer Stoßprozesse
im elektronischen Grundzustand ................................ 539
13.3.1 Zeitaufgelöster Fluoreszenznachweis......................540
13.3.2 Zeitaufgelöste
13.3.3 Spektroskopie von Stößen im Grundzustand
mit kontinuierlichen Lasern..............................544
13.4 Spektroskopische Messung differenzieller Stoßquerschnitte
in gekreuzten Molekularstrahlen.................................546
13.5 Spektroskopie reaktiver Stoßprozesse............................. 551
13.6 Stöße im Strahlungsfeld eines Lasers ............................. 555
14 Neuere Entwicklungen in der Laserspektroskopie..................... 559
14.1 Optische
14.1.1 Grundlagen der Ramsey-Interferenzen.................... 559
14.1.2 Zweiphotonen-Ramsey-Resonanzen ...................... 563
14.1.3 Nichtlineare Ramsey-Interferenzen.......................566
14.2 Photonenrückstoß..............................................568
14.3 Optisches Kühlen und Speichern von Atomen .................... 573
14.3.1 Optisches Kühlen durch Photonenrückstoß................ 573
14.3.2 Optische Melasse........................................580
14.3.3 Magneto-optische Falle.................................. 582
14.3.4 Grenzen der optischen Kühlung.......................... 585
14.3.5 Kräfte auf einen induzierten Dipol im Lichtfeld............588
14.3.6 Bose-Einstein-Kondensation .............................590
14.3.7 Bildung kalter Moleküle..................................594
14.4 Spektroskopie an einzelnen Ionen................................596
14.4.1 Ionenfallen..............................................596
14.4.2 Seitenbandkühlung......................................599
14.4.3 Direkte Beobachtung von Quantensprüngen............... 601
14.4.4 Wigner-Kristalle in lonenfallen...........................603
Inhaltsverzeichnis
14.5 Der Einatom-Maser............................................. 605
14.6 Auflösung innerhalb der natürlichen Linienbreite.................607
14.7 Absolute optische Frequenzmessung und Frequenzstandard........ 615
14.7.1 Optische Frequenzketten................................. 615
14.7.2 Optische Frequenz-Teilung............................... 616
14.7.3 Optischer Frequenzkamm................................ 618
14.8 Kann man das Photonenrauschen überlisten?..................... 620
14.8.1 Phasen- und Amplitudenschwankungen des Lichtfeldes___620
14.8.2 Quetschzustände........................................ 623
14.8.3 Realisierung von Quetschzuständen....................... 624
14.8.4 Anwendungen der „Squeezing-Technik
auf Gravitationswellen-Detektoren........................ 626
15 Anwendungen der Laserspektroskopie............................... 629
15.1 Anwendungen in der Chemie.................................... 629
15.1.1 Laserspektroskopie in der analytischen Chemie............ 629
15.1.2 Laserinduzierte chemische Reaktionen.................... 632
15.2 Isotopentrennung mit Lasern.................................... 636
15.3 Laserspektroskopie in der Umwelt- und Atmosphärenforschung___638
15.3.1 Absorptionsmessungen.................................. 638
15.3.2 Atmosphärenmessungen mithilfe des LIDAR-Verfahrens ... 640
15.3.3 Analytik von Verunreinigungen in Flüssigkeiten...........645
15.4 Anwendungen auf technische Probleme..........................647
15.4.1 Untersuchung von Verbrennungsvorgängen ...............647
15.4.2 Einsatz der Laserspektroskopie in der Materialforschung ... 650
15.4.3 Messung von Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen..... 651
15.5 Anwendungen in der Biologie................................... 653
15.5.1 Energietransfer in DNA-Komplexen ......................654
15.5.2 Zeitaufgelöste Messungen biologischer Prozesse ........... 655
15.5.3 Korrelationsspektroskopie von Mikrobenbewegungen......656
15.5.4 Lasermikroskop......................................... 657
15.5.5 Konfokale Mikroskopie biologischer Objekte..............658
15.5.6 Einzel-Molekül-Nachweis................................ 659
15.6 Medizinische Anwendungen.....................................660
15.6.1 Anwendung der Raman-Spektroskopie in der Medizin.....660
15.6.2 Laserspektroskopie in der Ohrenheilkunde................662
15.6.3 Tumordiagnose und Therapie.............................663
15.6.4 Laserlithotripsie.........................................665
15.6.5 Weitere Anwendungen der Laserspektroskopie
in der Medizin ..........................................666
Literatur.................................................................667
Sachverzeichnis.......................................................... 719
|
| adam_txt |
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. 10
2.4 Grundbegriffe der Strahlungsmessung. 13
2.5 Polarisation von Licht. 17
2.6 Absorption und Dispersion. 18
2.6.1 Linienspektren und kontinuierliche Spektren. 18
2.6.2 Klassisches Modell. 20
2.6.3 Oszillatorenstärken und Einstein-Koeffizienten. 24
2.7 Übergangswahrscheinlichkeiten . 27
2.7.1 Lebensdauer angeregter Zustände. 27
2.7.2 Semiklassische Behandlung
der Übergangswahrscheinlichkeit. 29
2.8 Kohärenz . 30
2.8.1 Kohärenz eines Strahlungsfeldes. 31
2.8.2 Zeitliche Kohärenz. 32
2.8.3 Räumliche Kohärenz. 33
2.8.4 Kohärenzvolumen. 35
2.8.5 Kohärenz atomarer Zustände. 37
3 Linienbreiten und Profile von Spektrallinien. 41
3.1 Natürliche Linienbreite . 42
3.2 Doppler-Verbreiterung. 45
3.3 Stoßverbreiterung von Spektrallinien. 49
3.4 Homogene und inhomogene Linienverbreiterung. 55
3.5 Sättigungsverbreiterung. 56
3.5.1 Änderung der Besetzungsdichten durch optisches Pumpen 57
3.5.2 Sättigungsverbreiterung von Absorptionslinien. 60
3.6 Flugzeit-Liiüenbreiten. 62
3.7 Linienbreiten in Flüssigkeiten und Festkörpern . 65
Inhaltsverzeichnis
Experimentelle Hilfsmittel des Spektroskopikers. 67
4.1 Spektrographen und Monochromatoren. 68
4.1.1 Grundbegriffe. 69
4.1.2 Prismenspektrograph. 74
4.1.3 Gitterspektrograph . 76
4.2
4.2.1 Michelson-
4.2.2 Vielstrahlinterferenz. 86
4.2.3 Planparalleles Fabry-Perot-Interferometer. 92
4.2.4 Konfokales
4.2.5 Dielektrische Vielfachschichten. 99
4.2.6 Interferenzfilter. 102
4.2.7 Durchstimmbare
4.2.8 Lyot-Filter. 106
4.3 Auflösungsvermögen und Lichtstärke von
und Interferometern. 110
4.4 Moderne Methoden der Wellenlängen-Messung . 113
4.4.1 Das Michelson-Lambdameter . 114
4.4.2
4.4.3 Computergesteuertes Fabry-Perot-Wellenlängenmessgerät . 119
4.4.4 Fizeau-Lambdameter. 122
4.5 Detektoren. 124
4.5.1 Thermische Detektoren. 126
4.5.2 Photodioden. 131
4.5.3 Diodenanordnungen und CCD-Detektoren . 138
4.5.4 Photomultiplier . 141
4.5.5 Photonenzählmethode. 145
4.5.6 Bildverstärker und optische Vielkanal-Analysatoren. 146
Der Laser als spektroskopische Lichtquelle. 149
5.1 Elementare Grundlagen des Lasers. 149
5.1.1 Schwellwertbedingung. 150
5.1.2 Bilanzgleichungen. 152
5.2 Optische Resonatoren. 154
5.2.1 Offene Resonatoren. 155
5.2.2 Räumliche Modenstrukturen im offenen Resonator. 157
5.2.3 Beugungsverluste offener Resonatoren . 162
5.2.4 Stabile und instabile Resonatoren. 163
5.2.5 Frequenzspektrum passiver optischer Resonatoren. 166
5.3 Laser-Moden. 169
5.3.1 Frequenzspektrum des aktiven Resonators. 169
5.3.2 Beeinflussung der Modenfrequenz
durch das aktive Medium . 171
5.3.3 Verstärkungssättigung und Modenwechselwirkung. 172
5.3.4 Das Frequenzspektrum realer Mehrmoden-Laser. 176
Inhaltsverzeichnis
5.4 Experimentelle Realisierung von stabilen Einmoden-Lasern. 178
5.4.1 Linien-Selektion. 178
5.4.2 Moden-Selektion. 179
5.4.3 Intensitätsstabilisierung. 186
5.4.4 Wellenlängenstabilisierung von Lasern. 187
5.4.5 Kontrollierte Wellenlängendurchstirnmung . 194
5.4.6 Wellenlängeneichung. 197
5.5 Linienbreiten von Einmoden-Lasern.200
5.6 Durchstimmbare Laser. 203
5.6.1 Halbleiterlaser. 204
5.6.2 Durchstimmbare vibronische Festkörperlaser . 209
5.6.3 Farbzentrenlaser. 211
5.6.4 Farbstofflaser. 215
5.6.5 Excimer-Laser. 226
5.7 Kohärente Strahlungsquellen durch nichtlineare
Frequenzverdoppelung und Mischung. 228
5.7.1 Grundlagen. 229
5.7.2 Optische Frequenzverdopplung. 233
5.7.3 Frequenzmischung . 238
5.7.4 Erzeugung kohärenter VUV-Strahlung. 239
5.7.5 Röntgen-Laser . 242
5.7.6
5.7.7 Optische parametrische Oszillatoren.246
5.7.8
Doppler-begrenzte
mit Lasern. 251
6.1 Vorteile des Lasers für die Spektroskopie . 251
6.2 Empfindliche Verfahren der Absorptionsspektroskopie. 256
6.2.1 Frequenzmodulation des Lasers .256
6.2.2 Absorptionsspektroskopie durch Messung der Abklingzeit
eines optischen Resonators.260
6.2.3 Absorptionsspektroskopie innerhalb des Laserresonators . 263
6.3 Direkte Messung der absorbierten Photonen.268
6.3.1 Anregungsspektroskopie.268
6.3.2 Photoakustische Spektroskopie. 271
6.3.3 Ionisationsspektroskopie. 274
6.3.4 Optogalvanische Spektroskopie. 279
6.3.5 Optothermische Spektroskopie. 282
6.4 Magnetische Resonanz- und Stark-Spektroskopie mit Lasern.285
6.5 Geschwindigkeitsmodulations-Spektroskopie. 288
6.6 Laserinduzierte Fluoreszenz.290
6.7 Vergleich zwischen den verschiedenen Verfahren . 295
XII Inhaltsverzeichnis
7 Nichtlineare Spektroskopie.299
7.1 Lineare und nichtlineare Absorption.299
■ 7.2 Sättigung inhomogen verbreiterter Absorptionsübergänge.303
7.3 Sättigungs-Spektroskopie.308
7.4 Polarisations-Spektroskopie . 317
7.4.1 Anschauliche Darstellung. 317
7.4.2 Die Frequenzabhängigkeit des Polarisationssignals. 319
7.4.3 Größe der Polarisationssignale. 322
7.4.4 Empfindlichkeit der Polarisations-Spektroskopie. 326
7.5 Mehrphotonen-Spektroskopie. 328
7.5.1 Grundlagen der Zweiphotonen-Absorption. 328
7.5.2 Doppler-freie Zweiphotonen-Spektroskopie . 331
7.5.3 Abhängigkeit des Zweiphotonen-Signals
von der Fokussierung. 335
7.5.4 Mehrphotonen-Spektroskopie. 336
7.6 Anwendungsbeispiele und spezielle Techniken
der nichtlinearen Spektroskopie. 338
8 Laser-Raman-Spektroskopie. 345
8.1 Grundlagen. 345
8.2 Neuere Techniken der linearen Raman-Spektroskopie.349
8.3 Nichtlineare Raman-Spektroskopie. 355
8.3.1 Induzierte
8.3.2 Kohärente Anti-Stokes Raman-Spektroskopie.360
8.3.3
8.3.4 Hyper-Raman-Effekt. 365
8.4 Anwendungen der nichtlinearen Raman-Spektroskopie.366
9 Laserspektroskopie in Molekularstrahlen.369
9.1 Reduktion der Doppier-Breite in kollimierten Strahlen . 369
9.2 Abkühlung von Molekülen in Überschallstrahlen. 375
9.3 Nichtlineare Spektroskopie in Molekularstrahlen. 382
9.4 Kollineare Laserspektroskopie in schnellen Ionenstrahlen. 385
9.5 Spektroskopie in kalten Ionenstrahlen. 390
9.6 Massenselektive Laserspektroskopie in Molekularstrahlen. 391
10 Optisches Pumpen und Doppelresonanz-Verfahren. 397
10.1 Optisches Pumpen. 398
10.2 Optische/Radiofrequenz-Doppelresonanz.403
10.2.1 Grundlagen.403
10.2.2 Laser-Hochfrequenz-Doppelresonanz-Spektroskopie
in Molekularstrahlen.405
10.3 Optische/ Mikrowellen-Doppelresonanz.408
10.4 Optische/ Optische Doppelresonanz. 412
10.4.1 Vereinfachung komplexer Absorptionsspektren. 412
Inhaltsverzeichnis XIII
10.4.2 Stufenweise Anregung und Spektroskopie
von Rydberg-Zuständen. 416
10.4.3 Molekulare Rydbergzustände. 421
10.4.4
10.4.5 Beispiele für Doppelresonanz-Experimente.427
10.5 Spezielle Doppelresonanz-Techniken. 428
10.5.1 Polarisations-Markierung.428
10.5.2 Mikrowellen/Optische Doppelresonanz-Polarisations-
Spektroskopie . 430
10.5.3 STIRAP-Technik .430
11 Zeitaufgelöste Laserspektroskopie. 433
11.1 Erzeugung kurzer Lichtpulse . 433
11.1.1 Zeitverhalten gepulster Laser. 433
11.1.2 Güteschaltung von Laserresonatoren. 435
11.1.3 Modenkopplung und Pikosekundenpulse. 439
11.1.4 Erzeugung von Femtosekunden-Pulsen .447
11.1.5 Erzeugung durchstimmbarer kurzer Pulse. 459
11.1.6 Solitonenlaser.462
11.1.7 Erzeugung leistungsstarker ultrakurzer Pulse.464
11.1.8 Der Vorstoß in den Attosekunden-Bereich.467
11.2 Messung kurzer Lichtpulse.469
11.2.1 Streakkamera .469
11.2.2 Optischer Korrektor zur Messung kurzer Lichtpulse. 471
11.2.3 FROG-Technik. 477
11.2.4 SPIDER-Technik .477
11.3 Lebensdauermessungen mit Lasern.479
11.3.1 Die Phasenmethode. 481
11.3.2 Messung der Abklingkurve nach Einzelpulsanregung.483
11.3.3 Die Methode der verzögerten Koinzidenzen.484
11.3.4 Lebensdauermessungen in schnellen Atom-
und Ionenstrahlen.486
11.4 Spektroskopie im
11.4.1 Stoßinduzierte Relaxation von Molekülen in Flüssigkeiten . 490
11.4.2 Elektronische Relaxation in Halbleitern .490
11.4.3 Untersuchung molekularer Dynamik
auf der Femtosekundenskala. 491
12 Kohärente Spektroskopie. 495
12.1 Level-Crossing-Spektroskopie .496
12.1.1 Grundlagen.497
12.1.2 Quantenmechanisches Modell.500
12.2 Quantenbeat-Spektroskopie. 501
12.3 Photonen-Echo.506
12.4 Optische
XIV Inhaltsverzeichnis
12.5 Optische Pulszug-Interferenzspektroskopie. 513
12.6 Kohärente Überlagerungsspektroskopie . 515
12.7 Korrelations-Spektroskopie. 517
12.7.1 Messung des Homodyn-Spektrums. 520
12.7.2 Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie. 522
12.7.3
13 Laserspektroskopie von Stoßprozessen. 525
13.1 Hochauflösende Laserspektroskopie der Stoßverbreiterung
und Verschiebung von Spektrallinien. 526
13.2 Messung inelastischer Stoßquerschnitte durch LIF. 531
13.2.1 Stoß-Satelliten im Fluoreszenzspektrum. 531
13.2.2 Andere Verfahren zur Messung von Stößen
im angeregten Zustand. 534
13.2.3 Stöße zwischen angeregten Atomen. 536
13.3 Spektroskopische Bestimmung inelastischer Stoßprozesse
im elektronischen Grundzustand . 539
13.3.1 Zeitaufgelöster Fluoreszenznachweis.540
13.3.2 Zeitaufgelöste
13.3.3 Spektroskopie von Stößen im Grundzustand
mit kontinuierlichen Lasern.544
13.4 Spektroskopische Messung differenzieller Stoßquerschnitte
in gekreuzten Molekularstrahlen.546
13.5 Spektroskopie reaktiver Stoßprozesse. 551
13.6 Stöße im Strahlungsfeld eines Lasers . 555
14 Neuere Entwicklungen in der Laserspektroskopie. 559
14.1 Optische
14.1.1 Grundlagen der Ramsey-Interferenzen. 559
14.1.2 Zweiphotonen-Ramsey-Resonanzen . 563
14.1.3 Nichtlineare Ramsey-Interferenzen.566
14.2 Photonenrückstoß.568
14.3 Optisches Kühlen und Speichern von Atomen . 573
14.3.1 Optisches Kühlen durch Photonenrückstoß. 573
14.3.2 Optische Melasse.580
14.3.3 Magneto-optische Falle. 582
14.3.4 Grenzen der optischen Kühlung. 585
14.3.5 Kräfte auf einen induzierten Dipol im Lichtfeld.588
14.3.6 Bose-Einstein-Kondensation .590
14.3.7 Bildung kalter Moleküle.594
14.4 Spektroskopie an einzelnen Ionen.596
14.4.1 Ionenfallen.596
14.4.2 Seitenbandkühlung.599
14.4.3 Direkte Beobachtung von Quantensprüngen. 601
14.4.4 Wigner-Kristalle in lonenfallen.603
Inhaltsverzeichnis
14.5 Der Einatom-Maser. 605
14.6 Auflösung innerhalb der natürlichen Linienbreite.607
14.7 Absolute optische Frequenzmessung und Frequenzstandard. 615
14.7.1 Optische Frequenzketten. 615
14.7.2 Optische Frequenz-Teilung. 616
14.7.3 Optischer Frequenzkamm. 618
14.8 Kann man das Photonenrauschen überlisten?. 620
14.8.1 Phasen- und Amplitudenschwankungen des Lichtfeldes_620
14.8.2 Quetschzustände. 623
14.8.3 Realisierung von Quetschzuständen. 624
14.8.4 Anwendungen der „Squeezing-Technik"
auf Gravitationswellen-Detektoren. 626
15 Anwendungen der Laserspektroskopie. 629
15.1 Anwendungen in der Chemie. 629
15.1.1 Laserspektroskopie in der analytischen Chemie. 629
15.1.2 Laserinduzierte chemische Reaktionen. 632
15.2 Isotopentrennung mit Lasern. 636
15.3 Laserspektroskopie in der Umwelt- und Atmosphärenforschung_638
15.3.1 Absorptionsmessungen. 638
15.3.2 Atmosphärenmessungen mithilfe des LIDAR-Verfahrens . 640
15.3.3 Analytik von Verunreinigungen in Flüssigkeiten.645
15.4 Anwendungen auf technische Probleme.647
15.4.1 Untersuchung von Verbrennungsvorgängen .647
15.4.2 Einsatz der Laserspektroskopie in der Materialforschung . 650
15.4.3 Messung von Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen. 651
15.5 Anwendungen in der Biologie. 653
15.5.1 Energietransfer in DNA-Komplexen .654
15.5.2 Zeitaufgelöste Messungen biologischer Prozesse . 655
15.5.3 Korrelationsspektroskopie von Mikrobenbewegungen.656
15.5.4 Lasermikroskop. 657
15.5.5 Konfokale Mikroskopie biologischer Objekte.658
15.5.6 Einzel-Molekül-Nachweis. 659
15.6 Medizinische Anwendungen.660
15.6.1 Anwendung der Raman-Spektroskopie in der Medizin.660
15.6.2 Laserspektroskopie in der Ohrenheilkunde.662
15.6.3 Tumordiagnose und Therapie.663
15.6.4 Laserlithotripsie.665
15.6.5 Weitere Anwendungen der Laserspektroskopie
in der Medizin .666
Literatur.667
Sachverzeichnis. 719 |
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