Spektroskopie

Die Laserspektroskopie ist ein breites Forschungsfeld, das die Wechselwirkung

zwischen Materie und Laser in Abhängigkeit von der Wellenlänge

des Laserlichts untersucht. Sie wird genutzt, um die Eigenschaften von Materie

auf allen Ebenen zu erforschen – von Elementarteilchen bis hin zu Sternen.

 

IPG-Laser für die Spektroskopie bieten:
• Wellenlängen vom UV- bis mittleren Infrarotbereich
• CW-Laser, Nano-, Piko- und Femtosekundenpulse
• Durchschnittsleistungen im mW- bis >kW-Bereich
• Feste Frequenz oder abstimmbare Lichtquellen
• Einzelfrequenz bis Breitband
• Hervorragende Strahllagestabilität
• Hervorragende Strahllagestabilität

 

 

Raman-Streuung ist ein inelastisches Lichtstreuungsverfahren und ermöglicht eine
zerstörungsfreie spektroskopische Methode, bei der der
„Schwingungsfingerabdruck“ eines Analytmoleküls nach seiner Fotoanregung und
einer anschließenden Änderung seiner molekularen Polarisation gemessen wird. Nach
ihrer ersten Entdeckung im Jahr 1928 hat sie aufgrund ihrer wissenschaftlichen
Vielseitigkeit Bekanntheit erlangt. Zu ihren Anwendungsbereichen zählen Kunst,
Archäologie, Biowissenschaften, analytische Chemie, Festkörperphysik,
Flüssigkeiten und Wechselwirkungen von Flüssigkeiten, Nanomaterialien,
Phasenübergänge, Arzneimittelstudien sowie Forensik. Die Raman-Spektroskopie
hat in verschiedenen Industrien umfassende Verwendung gefunden. Beispielsweise
wird sie in der biopharmazeutischen Industrie zur Identifizierung von
pharmazeutischen Wirkstoffen, in der Halbleiterindustrie zur Untersuchung der
Reinheit von Wafern und in der Forensik zur Überwachung der
Sprengstofferkennung eingesetzt.

Bei der Raman-Spektroskopie können Laser unterschiedlicher Wellenlängen verwendet
werden, um den Anregungsprozess des jeweiligen Moleküls zu initiieren. Der
Großteil dieser angeregten Moleküle streut das Licht als elastische
Rayleigh-Streuung derselben Energie. Bei einigen wenigen ändert sich der
Schwingungsstatus während der Relaxation jedoch in den elektronischen
Grundzustand, wodurch eine Energieverschiebung des gestreuten Lichts entsteht,
die durch die Energie in diesem Schwingungsmodus charakterisiert wird. Das ist
der Raman-Effekt. IPG Photonics bietet eine breite Palette von CW-Lasern mit
UV-, sichtbaren und IR-Wellenlängen für die traditionelle Raman-Spektroskopie
sowie gepulste Laser wie den CLPF im mittleren Infrarotbereich für
die hochmoderne Femtosekunden-stimulierte Raman-Spektroskopie. Solche
Lasersysteme können wie im Fall der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie
(Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) auch zur Anregung plasmonischer
Substrate verwendet werden.

Die Raman-Spektroskopie wird heute in verschiedenen Industrien und Bereichen
umfassend genutzt, darunter Halbleiter und Supraleiter, Pharmazie, Medizin,
optische Kommunikation und wissenschaftliche Forschung.

 

Im Rahmen der Laborforschung wird bei Untersuchungen mittels konventioneller Ultrakurzzeit-Laserspektroskopie das Konzept der Pump-Probe-Spektroskopie angewendet. Im allgemeinen Fall sind dabei zwei separate optische Femto- oder Pikosekundenpulse erforderlich:
einer zum Anregen („Pump“) der jeweiligen Probe und ein weiterer zum Prüfen („Probe“) der Entregung der Probe. Beide Pulse müssen sich sowohl räumlich als auch zeitlich überschneiden. Eine optische Verzögerungsstrecke kann den Weg des Probe-Pulses effektiv verlängern, wodurch er in Bezug auf den Pump-Puls zeitlich verzögert wird. Wenn der Pump-Puls das Molekül anregt, überwacht der zunehmend verzögerte Probe-Puls den Zerfall der angeregten Elektronen. Daraus können dynamische, zeitaufgelöste Daten für die jeweilige Probe abgeleitet und analysiert werden. Die Pump-Probe-Spektroskopie wird meist zum Überwachen der Regeneration von sättigbaren Absorbern nach einer photoinduzierten Anregung verwendet, um die zeitlichen Signaturen von chemischen Reaktionen oder die Energieübertragung zwischen Molekülen zu messen. Diese Informationen können
dann als Grundlage für die weitere Entwicklung, Darstellung und Verwendung untersuchter Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden, beispielsweise für die Photokatalyse, Photoelektrochemie und Photovoltaik. Die wichtigsten Industrien, in denen die Pump-Probe-Spektroskopietechnik eingesetzt wird, sind die akademische Welt, Luft- und Raumfahrt, Metallurgie, Biophotonik, Mikroskopie und Medizin.Anhand solcher Pump-Probe-Verfahren können durch Überwachung der entscheidenden Anregungs- und Rekombinationsdynamik beispielsweise die Effizienz von Solarzellenmaterialien oder die Ladungsträger-Rekombinationseffizienz von Wasserhydrolysematerialien zum Erzeugen von rückstandsfrei verbrennendem Wasserstoffkraftstoff ermittelt werden.

 

Die Untersuchung der Dynamik mittels Pump-Probe-Spektroskopie bietet tiefere und grundlegendere Einblicke in die Eigenschaften des untersuchten Materials. Als dynamische Messung liefert sie Informationen, die die von stationären Messungen ergänzen.  Aufgrund dieser Erwägungen bietet IPG gepulste Faserlaser mit Wellenlängen von 355 nm bis 1,5 μm mit Femtosekunden-Pulsbreiten (oder Pikosekunden-Pulsbreiten) und Pulsenergien, die in den oben genannten Anwendungen umfassende Untersuchungen mit zeitlichen Auflösungen im Femtosekundenbereich ermöglichen.

  Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS) ist ein optisches Verfahren, mit dem die optische Extinktion von Materialien, die Licht streuen und absorbieren, gemessen werden kann. Das Verfahren hat auf dem Gebiet der Gasphasenuntersuchung breite Anwendung gefunden und ermöglicht die Quantifizierung von Gasproben im ppt-Bereich (Teile pro Billion).Bei einem solchen Experiment wird ein Laser verwendet, um einen optischen Resonator zu beleuchten. In Resonanz mit dem Resonatormodus baut sich aufgrund konstruktiver Interferenz Laserintensität auf. Nach dem Ausschalten des Lasers wird die exponentiell abnehmende Lichtintensität gemessen. Diese Anwendung ist aufgrund der Empfindlichkeit des Verfahrens insbesondere für die
Umweltüberwachung, die Emissionsüberwachung und biopharmazeutische Prozesse von Nutzen.Ein exemplarisches Beispiel ist die Messung von Treibhausgasen, durch die in verschiedensten Bereichen – von Kfz-Motoren bis hin zu chemischen Verarbeitungsanlagen – die Entwicklung zunehmend umweltfreundlicher Technologien sichergestellt werden konnte.

Da die Cavity-Ring-Down-Spektroskopie auf der Absorption von Licht durch gasförmige Stoffe basiert und unterschiedliche Gase Licht bei verschiedenen Wellenlängen absorbieren, sind zur erfolgreichen Durchführung eines solchen Experiments variierende Laserwellenlängen erforderlich.IPG bietet daher ein breites Spektrum von CW-Lasern, die die Anwendungsanforderungen für Gasabsorption unterstützen können. Die meisten typischen Gase weisen spezifische Absorptionsspektren bei Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich auf, wie etwa die Hybridlaser
im mittleren Infrarotbereich von IPG

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