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Lexikon der Optik: hochauflösende Spektroskopie in Gasen

hochauflösende Spektroskopie in Gasen, Methoden zur Untersuchung der energetischen Struktur von Atomen und Molekülen im gasförmigen Zustand mit hoher spektraler Auflösung. Bei konventionellen spektroskopischen Verfahren wird das spektrale Auflösungsvermögen durch die Apparatefunktion des verwendeten Spektrographen (z.B. Gitter- oder Prismenspektrograph) bestimmt, deren spektrale Breite – angegeben als Wellenzahldifferenz Δσ, wobei die Wellenzahl σ gleich dem Reziproken der Wellenlänge λ ist – in der Regel größer als 10 m-1 ist und so die Breite der aufzulösenden Spektrallinien übertrifft. Für das Auflösungsvermögen A=λ/Δλ=σ/Δσ ergibt sich z.B. im Wellenlängenbereich des mittleren IR bei σ=1/λ=105m-1 ein Wert von 104. Die Breite der Spektrallinien von Atomen und Molekülen im gasförmigen Zustand wird bei niedrigen Gasdrücken (<1 kPa) durch die Doppler-Breite (Linienbreite) begrenzt, die z.B. im mittleren IR bei etwa 10-1m-1 liegt, wächst aber bei größeren Drücken proportional zum Druck an. Will man daher die Linien eines Atom- oder Molekülspektrums ohne Stoßverbreiterung, also bei der kleinstmöglichen Breite, vermessen, benötigt man Meßverfahren mit einem Auflösungsvermögen von z.B. 106. Ein solch hohes Auflösungsvermögen wird derzeit nur von hochentwickelten Fourier-Spektrometern (Fourier-Spektroskopie) oder bei der Laserspektroskopie erreicht. Die Linienbreite von Laserlichtquellen ist, insbesondere im Einmodenbetrieb (Einmodenlaser), kleiner als die Doppler-Breite der Atom- und Molekühllinien, so daß mit durchstimmbaren Lasern eine Spektroskopie mit Doppler-begrenzter Auflösung ohne Probleme durchführbar ist.

Die Anwendung von schmalbandigen Laserlichtquellen ermöglicht darüber hinaus auch eine Spektroskopie "innerhalb" der Doppler-Breite, bei der die durch den Doppler-Effekt bedingte Linienverbreitung vermieden und eine der natürlichen Linienbreite nahekommende spektrale Auflösung erreicht werden kann (Lamb-dip-Spektroskopie). Das Auflösungsvermögen der h. S. i. G. läßt sich dann auf Werte von 109 bis 1011 steigern.

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