ISBN 9783868538960

978-3-86853-896-0, Reihe Physik

Benjamin P. Löhden
Höchstempfindliche Absorptionsspektroskopie im Resonator Er³⁺-dotierter Faserlaser

175 Seiten, Dissertation Universität Hamburg (2010), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Absorptionsspektroskopie ist von besonderer Bedeutung für wissenschaftliche Forschung und Technik. In einer Vielzahl von Anwendungsfeldern wie Umweltanalyse, medizinische Diagnostik, Optimierung von Verbrennungsprozessen oder Prozesskontrolle zählen spektroskopische Verfahren zu den wichtigsten grundlegenden Techniken.

Die resonatorinterne Absorptionsspektroskopie (engl. intracavity absorption spectroscopy, ICAS) mit breitbandig emittierenden Lasern ist eine der empfindlichsten Methoden mit mehreren tausend Kilometern effektiver Absorptionsweglänge. Zudem ermöglicht ICAS als einziges empfindliches Verfahren Absorptionsmessungen nichtstationärer Prozesse in unwirtlichen Umgebungen wie Flammen und verunreinigten Proben. Diodengepumpte Faserlaser bieten sich dabei als kompakte, kostengünstige und effiziente Systeme mit zugleich breiten Emissionsspektren für ICAS an.

In der vorliegenden Arbeit wurden Er³⁺-dotierte Faserlaser für ICAS mit Durchstimmbereichen von 1.52 µm bis 1.61 µm entwickelt. Mit ihnen wurden Absorptionsspektren verschiedener umweltrelevanter Gase wie CO₂, CO, OH, H₂O, H₂S, C₂H₂, NH₃ und HCN mit hoher Empfindlichkeit aufgenommen. Die kleinste erreichte Nachweisgrenze betrug 10 ppb für C₂H₂. Erstmals konnten in Verbrennungsprozessen jeweils drei Reaktionsprodukte gleichzeitig in-situ nachgewiesen und ihre Konzentrationen entlang der Flamme verfolgt werden. Durch Vermessung der Stärken verschiedener OH-Absorptionslinien konnte die lokale Temperatur in der Flamme abgeschätzt werden. Weiterhin wurde der in Medizin, Klimaforschung und Geologie relevante selektive Nachweis der Isotope ¹²CO₂ und ¹³CO₂ demonstriert.

Die Empfindlichkeit Er³⁺-dotierter Faserlaser gegenüber resonatorinterner Absorption konnte im Dauerstrichbetrieb durch Verlängerung der Resonatoren auf etwa 2000 km effektive Absorptionsweglänge gesteigert werden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten des noch empfindlicheren Nachweises von Spurengasen in Atmosphäre, Atemluft und Verbrennungsprozessen.

Zudem konnten im Rahmen dieser Arbeit erstmals resonatorintern Absorptionsmessungen im evaneszenten Feld ultradünner verjüngter Glasfasern demonstriert werden. Mit diesem neuartigen Verfahren ist es möglich, kleinste Proben im Femtoliterbereich zu vermessen.

Diese Arbeit zeigt damit grundlegende neuartige Entwicklungen zur höchstempfindlichen Spektroskopie auf, setzt einige besonders bedeutende Ansätze exemplarisch um und weist den Weg in weiterführende zukünftige Studien.