Dokument: Spektrale Eigenschaften des Quantenkaskadenlasers und seine Eignung für die hochauflösende Molekülspektroskopie

Titel:Spektrale Eigenschaften des Quantenkaskadenlasers und seine Eignung für die hochauflösende Molekülspektroskopie
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URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20050708-001146-3
Kollektion:Dissertationen
Sprache:Deutsch
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:Text
Autor: Horstjann, Markus [Autor]
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Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:Prof. Dr. Hering, Peter [Gutachter]
Prof. Dr. Weinkauf, Rainer [Gutachter]
Stichwörter:Quantenkaskadenlaser, Interbandkaskadenlaser, Radikalspektroskopie, Photoakustische Spektroskopie, Stickstoffmonoxid, Formaldehyd, Nitrit, Schweiß, Zimmertemperaturlaserquantum cascade laser, interband cascade laser, radical spectroscopy, photoacoustic spectroscopy, nitric monoxide, formaldehyde, nitrite, human sweat, room temperature operation
Dewey Dezimal-Klassifikation:500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibung:Der Nachweis kleinster Konzentrationen bestimmter Moleküle in einem beliebigen Gasgemisch mit Hilfe neuester Laserquellen - so kann der Inhalt dieser Dissertation zusammengefasst werden. Es handelt sich bei den Molekülen um Stickstoffmonoxid (NO) und Formaldehyd (H2CO), beides für Medizin und Umweltforschung sehr wichtige Moleküle, die in Konzentrationen im ppb-Bereich (ppb - parts per billion, 1 : 10^9) vorkommen.
NO wurde mit Hilfe der Faraday-Modulationsspektroskopie (FAMOS) mit einer Nachweisempfindlichkeit von 10 ppb/√Hz nachgewiesen. Zunächst wurde mit Hilfe einer Simulation der optimale NO-Übergang im mittleren Infrarot bei λ = 5 µm (NO-Fundamentalbande) bestimmt und vermessen, um eine Vorgabe für die ideale Laserquelle machen zu können. Die Simulation ergab, dass die Signalstärke des Q1,5- Übergangs im Π3/2-System um etwa eine Größenordnung über allen anderen Signalen liegt. Nebenbei wurde bei den Simulationsmesssungen ein NO-Übergang gefunden, der noch nicht zugeordnet werden konnte.
Auf der Suche nach der eben erwähnten idealen Laserquelle wurden vier neue Zimmertemperatur-Quantenkaskadenlaser (QCL) auf optische Leistung und Emissionsspektrum untersucht, um ihre Tauglichkeit für die Molekülspektroskopie zu testen. Erfolgreiche Lasertätigkeit eines QCLs wurde erst vor 10 Jahren demonstriert, aber mittlerweile haben diese Laser sich durch Ausgangsleistungen von 10 mW bis hin zu 1,65 W, kleine Linienbreiten im MHz-Bereich, Abstimmbarkeit mittels Laserstrom oder Temperatur sowie Zimmertemperaturbetrieb fest im Segment der Infrarotlaser etabliert. Zum Test der Laser wurde ein Vakuumbehälter mit integriertem Peltierkühler konzipiert, der Temperaturen von −55°C bei abzuführender Wärmeleistung von bis zu 8 W halten kann. Alle getesteten Laser emittierten optische Leistungen > 10 mW und waren bis auf einen im Peltierkühler einsetzbar. Ein Laser wurde in Zusammenarbeit mit der Fa. Sacher Lasertechnik antireflexbeschichtet, um ihn in einem externen Resonator einsetzen zu können. Diese neuen Zimmertemperaturlaser konnten jedoch nicht für die Spektroskopie eingesetzt werden, da ihre Lebensdauer zu gering war.
Zum NO-Nachweis wurde daher ein LN2-gekühlter QCL bei λ = 5,2 µm zusammen mit der Faraday-Modulationsspektroskopie (FAMOS) eingesetzt. FAMOS hat sich insbesondere zum Nachweis der NO-Freisetzung aus Flüssigkeiten unter UVA-Bestrahlung besonders empfohlen, da sie selektiv nur auf NO anspricht, weil dessen hohes magnetisches Moment ausgenutzt wird. So kann auf Gasaufbereitung jeglicher Art verzichtet werden. In Kooperation mit der Immunbiologie der Universität Düsseldorf wurde u.a. menschlicher Schweiß auf NO-Gehalt und -Freisetzung unter UVA-Bestrahlung untersucht; weiterhin Substanzen, die die Freisetzung fördern bzw. unterbinden können. Es konnte gezeigt werden, dass sich bei der Umwandlung einer NO-Vorläufersubstanz (Nitrit, NO2- ) zu NO das metastabile Zwischenprodukt N2O3 ausbildet, das die NO-Freisetzung stark beeinflusst. Im Rahmen eines sechsmonatigen Auslandsaufenthalts an der Rice University in Houston, USA, wurde ein dem QCL vom Prinzip her ähnlicher Laser, der Interbandkaskadenlaser (ICL), zum ersten Mal für die Molekülspektroskopie eingesetzt. Mittels quarzverstärkter photoakustischer Spektroskopie (QEPAS) wurde mit dem ICL Formaldehyd (H2CO) mit einer Sensitivität von 2 ppm/√Hz nachgewiesen. Das zum Nachweis verwendete Gasvolumen beträgt dabei nur 1 cm^3 , da der Resonator aus einem Uhrenquarz (Größe ca. 2 mm), der wie eine Stimmgabel geformt ist, besteht. Der Einfluss von Zellendruck, Amplitude der Frequenzmodulation des ICL und der Wahl des Trägergases (N2, Luft, SF6) auf die QEPAS-Signalstärke wurde systematisch untersucht.
Lizenz:In Copyright
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Fachbereich / Einrichtung:Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:08.07.2005
Dateien geändert am:12.02.2007
Promotionsantrag am:06.07.2005
Datum der Promotion:06.07.2005
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