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Lexikon der Optik: Ultrakurzzeitspektroskopie

Ultrakurzzeitspektroskopie, Verfahren zur optischen Untersuchung sehr schnell ablaufender mikrophysikalischer sowie chemischer und biologischer Vorgänge. Die U. wurde möglich durch die Schaffung von Lasern, die Impulse im Pikosekunden- und sogar im Femtosekundenbereich aussenden (Pikosekundenlaser, Femtosekundenlaser). Mit Hilfe derartiger Impulse kann eine Probe in einem definierten Zeit-"punkte" angeregt werden, sei es durch Ein- oder Mehrphotonenabsorption oder durch Raman-Streuung. Sie wird dadurch aus einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand in einen Nichtgleichgewichtszustand überführt, der durch Ausgleichsvorgänge wie Relaxations- oder Diffusionsprozesse, evtl. auch durch chemische Reaktionen in den alten oder einen neuen Gleichgewichtszustand übergeht. Aufgabe der U. ist es, die mit diesem Übergang verbundene zeitliche Änderung einer optischen Größe wie der Intensität des Fluoreszenzlichtes, des Absorptions- oder Reflexionsvermögens oder der Brechzahl (in ausgewählten Spektralbereichen) zu messen und die entsprechenden Abklingzeiten zu bestimmen.

Fluoreszenzmessungen. Mit einem Zug ultrakurzer Lichtimpulse wird eine Probe zur Fluoreszenz angeregt. Das Fluoreszenzlicht wird (evtl. nach Passieren eines Monochromators) auf einen schnell ansprechenden Photomultiplier geschickt, dessen Ausgangssignal auf einem Oszilloskop angezeigt wird. Auf diese Weise läßt sich der Zeitverlauf der Fluoreszenzintensität beobachten. Zur Messung wird auch das Sampling-Verfahren, unter Verwendung eines Boxcar-Integrators, eingesetzt. Mit größerer Genauigkeit und einem sehr hohen Signal-Rausch-Verhältnis lassen sich Fluoreszenzabklingkurven durch Photonenzählung bestimmen. Dabei werden die experimentellen Bedingungen (evtl. durch Abschwächen des Fluoreszenzlichtes) so gewählt, daß der Photomultiplier pro Impuls nur entweder ein oder kein Photon registriert. Gemessen werden mit Hilfe eines Zeit-Amplituden-Konverters die Zeiten, die jeweils zwischen der Anregung der Probe durch einen Impuls aus dem Impulszug und dem Nachweis des ersten Photons verstreichen. Ein Viel-Kanal-Analysator liefert dann die Zahl der registrierten Photonen als Funktion der (auf den Anregungszeitpunkt bezogenen) Zeit und damit die Fluoreszenzabklingkurve. Die geschilderten Verfahren eignen sich, bedingt durch die benutzte photoelektrische Nachweistechnik, nur zur Untersuchung von Prozessen, die im Nanosekundenbereich ablaufen. Die Zeitauflösung läßt sich bis hin zu Pikosekunden erhöhen, wenn man zum Nachweis eine Streakkamera verwendet.

Testimpuls-Spektroskopie. Die Probe wird durch einen intensiven Lichtimpuls, den Pumpimpuls, angeregt. Nach einer definiert einstellbaren Verzögerungszeit τ wird ein zweiter, schwacher Impuls, der Testimpuls, durch die Probe geschickt, mit dessen Hilfe sich Veränderungen im Absorptions-, Verstärkungs- oder Reflexionsverhalten feststellen lassen. Die Probe kann überdies die Polarisationsrichtung eines (linear polarisierten) Testimpulses drehen. So läßt sich beispielsweise durch Messung des Transmissionsvermögens die Wiederbesetzung des durch den Pumpimpuls teilweise entleerten Grundzustandes eines sättigbaren Absorbers (Absorption) zeitlich verfolgen. Der Testimpuls wird mittels eines Strahlteilers vom Primärimpuls abgetrennt und zeitlich verzögert (Abb.). Er kann auch durch nichtlineare Prozesse wie Frequenzverdopplung oder parametrische Oszillation in seiner Frequenz verändert werden. Einen Überblick über das gesamte Absorptionsspektrum erhält man durch Variation der Wellenlänge des Testimpulses.

Die gleiche Information läßt sich, allerdings mit geringerer Genauigkeit, auch schon in einer Einzelmessung erhalten, wenn man als Testimpuls einen Weißlichtimpuls verwendet, der sich durch Fokussierung eines vom Primärimpuls abgetrennten Impulses in ein geeignetes Material erzeugen läßt. Um eine Vergleichsmessung ausführen zu können, wird von dem weißen Impuls noch ein Referenzimpuls abgetrennt, den man durch einen vom Pumpimpuls unbeeinflußten Teil der Probe schickt.

Eine weitere Form der Testimpuls-Spektroskopie ist die zeitaufgelöste CARS-Spektroskopie (Raman-Spektroskopie).



Ultrakurzzeitspektroskopie: Testimpuls-Spektroskopie. Die Photodioden Ph messen die Energie des Testimpulses vor und hinter der Probe. Daruas bestimmt sich das (durch die Laserstrahlung geänderte) Absorptiobsvermögen der Probe.

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