Spurengasnachweis und Spektroskopie im mittleren Infrarot mit einem Dauerstrich-Optisch-Parametrischen Oszillator

Abstract

In dieser Arbeit wird die Frequenzstabilität eines Dauerstrich-Optisch-Parametrischen Oszillators (OPO) analysiert und seine Eignung für unterschiedliche Verfahren für spektroskopische Untersuchungen an Molekülen für den 3 µm-Wellenlängenbereich nachgewiesen. Diese unterschiedlichen Verfahren stellen entsprechende Anforderungen an die Stabilität der Laserstrahlung. Erste Ergebnisse zur Kopplung an einen Frequenzkamm werden präsentiert. Die Stabilität des pump- und signalresonanten OPOs wird mit unterschiedlichen Verfahren auf Zeitskalen von 30 Minuten bis herunter zu 20 Mikrosekunden bestimmt und beträgt (je nach Messzeit) zwischen 60 MHz und 5,5 kHz ohne Benutzung externer Referenzen. Die Werte sind dabei jeweils Obergrenzen.<br /> Diese Eigenschaften in Kombination mit der Frequenzabstimmbarkeit und Leistung (bis 100 mW) erlauben hochempfindliche, selektive und zeitaufgelöste Spurengasanalyse von Gasgemischen. Die angewandten Verfahren sind die Photoakustische (PAS) und Cavity-Leak-Out-Spektroskopie (CALOS). Mit der Kombination aus OPO und CALOS kann Ethan als Einzelgas mit einer unerreichten Empfindlichkeit von 6 ppt in 1 Sekunde Messzeit detektiert werden. Aus einer Atemgasprobe können Ethan-, Methan- und Wasserkonzentrationen bei 100 mbar Druck bestimmt werden, ohne dass eine Kühlfalle benutzt werden muss. Mit der Kombination aus OPO und PAS wird der zeitliche Verlauf der Ethankonzentration im Demonstrationsexperiment an einem Pflanzenblatt mit einer Auflösung von etwa 10 Minuten aus dem Gasgemisch ermittelt. Dabei können die Absorptionsstrukturen selbst bei einer Ethankonzentration von nur wenigen ppb deutlich verifiziert werden. <br /> Weitere Experimente wurden an kalten Molekülionen durchgeführt. Dabei werden mit Hilfe der Infrarotemission des OPOs chemische Reaktionen induziert. Die hier untersuchte Reaktion spielt eine wichtige Rolle bei Deuterisierungsprozessen in interstellaren Wolken. Des weiteren wird eine Methode vorgestellt, den OPO an einen optischen Frequenzkamm zu koppeln, dessen Emissionsbereich auf 400-1650 nm begrenzt ist. Es wird eine Feed-Forward-Stabilisierungsmethode über einen Akusto-Optischen Modulator (AOM) vorgestellt, die keine Phasenstabilisierungsregelkreise benötigt.