Studienarbeit "Moderne Methoden der Laser-Spektroskopie"

5 April 2019

Photo: Gruppe Hemmerich

Eine Begrenzung der Genauigkeit vieler spektroskopischer Methoden ensteht durch den Doppler-Effekt der sich bewegenden Atome oder Moleküle. Einfache, clevere Methoden, welche diese lange als fundamental erachtete Begrenzung überwinden, nutzen nicht-lineare Effekte wie zum Beispiel Sättigung bzw. optisches Pumpen. Diese entstehen durch die Wechselwirkung der Probe mit zwei oder mehreren Laserstrahlen. Spezielle Varianten der nicht-linearen Laserspektroskopie, wie zum Beispiel die Frequenzmodulationsspektroskopie und Polarisationsspektroskopie, zeichnen sich durch eine besonders hohe Empfindlichkeit aus.

Atome lassen sich durch optisches Pumpen in sogenannten Dunkelzuständen präparieren, die trotz Einwirkung eines resonanten Laserstrahls nicht angeregt werden können. Dabei handelt es sich um quantenmechanische Superpositionen verschiedener entarteter Grundzustandskomponenten. Dunkelzustände führen zu extrem schmalen spektralen Strukturen, weit unterhalb der natürlichen Linienbreite. Sie sind eine direkte Folge einer destruktiven quantenmechanischen Interferenz.

Was zu tun ist: Aufnahme von Doppler-begrenzten und Doppler-freien Absorptionsspektren mit einem einmodigen Halbleiterlaser. Zuordnung der Spektrallinien, Identifikation der Cross-Over-Resonanzen. Vermessung der Linienbreite der Doppler-freien Sättigungslinien für verschiedene Laserintensitäten und Extrapolation der natürlichen Linienbreite. Beobachtung von Dunkelzuständen. Bestimmung der Linienbreiten in Abhängigkeit von der Laserintensität. Die Datenaufnahme erfolgt Rechner-gestützt. Weiterführende Möglichkeiten: Frequenzmodulationsspektroskopie, Polarisationsspektroskopie, Verwendung des Spektroskopiesignals zur Frequenzstabilisierung des Lasers.

Was man lernt: Single-Mode Diodenlaser, Sättigung, optisches Pumpen, Doppler-Verbreiterung, Leistungsverbreiterung, Durchflugsverbreiterung, Cross-Over-Resonanzen, Hyperfeinstruktur, Zeeman-Effekt, Isotopie-Verschiebung, Strahlungssauswahlregeln, Quantenkohärenzen, Frequenzmodulationsspektro-skopie, Polarisationsspektroskopie, Methoden der Frequenzstabilisierung von Lasern.

Informationen zur Studienarbeit: "Moderne Methoden der Laser-Spektroskopie" (PDF)