Skip to main content
Fachgebiete
Automobil + Motoren Bauwesen + Immobilien Business IT + Informatik Elektrotechnik + Elektronik Energie + Nachhaltigkeit Finance + Banking Management + Führung Marketing + Vertrieb Maschinenbau + Werkstoffe Versicherung + Risiko
DE
EN
Bücher
Zeitschriften
Themenseiten
Organisationspsychologie Projektmanagement Marketing Smart Manufacturing
Weitere Formate
Podcasts Webinare Technik Webinare Wirtschaft Kongresse Veranstaltungskalender Awards
Jetzt Einzelzugang starten
Zugang für Unternehmen
Referenzkunden
SLX-Digitalkonferenz: Zukunftswerkstatt 2024

Mehr Umsatz mit Top-Kontakten

Am 7. Mai erfahren Sie, wie Vertriebsteams Leadgenerierung, Leadnurturing und Leadstrategien effizient steuern können.
Erweiterte Suche
Anmelden
nach oben

2011 | Buch

Einleitung Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Laserspektroskopie 1

Grundlagen

verfasst von: Wolfgang Demtröder

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

Einloggen, um Zugang zu erhalten
insite
SUCHEN

Über dieses Buch

Die Laserspektroskopie gewinnt immer größere Bedeutung bei der Untersuchung von Atomen und Molekülen. W. Demtröder stellt jetzt die Neuauflage seines Lehrbuchs vor, das die Brücke schlägt zwischen den klassischen Werken über Optik und Spektroskopie und den modernen Beiträgen zur Laserspektroskopie. Er erläutert die verschiedenen Techniken, die instrumentelle Ausrüstung und die Bedeutung der Laserspektroskopie für ein detailliertes Verständnis der Struktur und Dynamik von Atomen und Molekülen und illustriert sie anhand konkreter Beispiele. Band 1 der Laserspektroskopie behandelt die Grundlagen der Spektroskopie und die experimentellen Hilfsmittel des Spektroskopikers, Band 2 widmet sich ausführlich den verschiedenen experimentellen Techniken der Laserspektroskopie. Die neue Auflage wurde völlig überarbeitet und bei folgenden aktuellen Themen auf den neuesten Stand gebracht: Ultrakurzzeit- Spektroskopie, Attosekunden Laser, Interferenzspektroskopie, optischer Frequenzkamm, Quantenoptik, Röntgenlaser, UV-Laser, Kontrolle atomarer und molekularer Anregungen, kohärente Materiewellen und Laser-Interferometer als Detektoren für Gravitationswellen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Den überwiegenden Teil unserer heutigen Kenntnis über die Struktur der Atome und Moleküle verdanken wir spektroskopischen Untersuchungen. Die Absorptions- oder Emissionsspektren, die man bei der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit Materie beobachten kann, liefern dabei in vielerlei Hinsicht Informationen über die Molekularstruktur und die Wechselwirkung der Moleküle mit ihrer Umgebung.
Die Messung der Wellenlängen der Spektrallinien erlaubt die Bestimmung der möglichen Energiezustände des atomaren oder molekularen Systems. Die Intensität der Linien gibt Hinweise auf die Kopplung (d. h. die Übergangswahrscheinlichkeiten) zwischen verschiedenen Niveaus. Da die Übergangswahrscheinlichkeiten von den Wellenfunktionen der am Übergang beteiligten Atomzustände abhängen, können aus Intensitätsmessungen Rückschlüsse auf die räumliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit der äußeren Elektronen, d. h. auf die Struktur der Atomhülle gezogen werden. Durch Absorption von polarisiertem Licht lässt sich die räumliche Orientierung von Atomen und Molekülen beeinflussen, während der Polarisationsgrad der von angeregten Molekülen emittierten Fluoreszenz Information über die Orientierung angeregter Atome gibt.
Wolfgang Demtröder
2. Emission und Absorption von Licht
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Grundlagen der Emission, Absorption und Dispersion von Licht zusammenfassend behandelt, soweit sie für die Laserspektroskopie von Bedeutung sind. Der Ausdruck „Licht“ wird dabei als Kurzbezeichnung für elektromagnetische Wellen aller Spektralbereiche verwendet. Ebenso soll die Bezeichnung „Molekül“ auch Atome einschließen. Um den Zusammenhang und die Unterschiede zwischen spontaner und induzierter Emission deutlich zu machen, werden zu Anfang das thermische Strahlungsfeld und die Moden eines Hohlraumes behandelt. Auf den hier eingeführten Begriffen aufbauend, können dann die Einstein-Koeffizienten, Oszillatorenstärken und Übergangswahrscheinlichkeiten definiert und ihre gegenseitigen Relationen gezeigt werden.
Man kann sich in der Optik eine ganze Reihe von Phänomenen mithilfe klassischer Modelle verdeutlichen, die auf Vorstellungen und Begriffen der klassischen Elektrodynamik basieren. Diese Modelle sollen hier ihrer Anschaulichkeit wegen ab und zu verwendet werden. Ihre Übertragung auf quantenmechanische Formulierungen ist in den meisten Fällen relativ leicht möglich und wird an den entsprechenden Stellen kurz angedeutet. Ausführlichere und zum Teil auch weitergehende Darstellungen des in diesem Kapitel behandelten Stoffes findet man in der Literatur [2.1–2.10].
Wolfgang Demtröder
3. Linienbreiten und Profile von Spektrallinien
Zusammenfassung
Bei der Absorption oder Emission elektromagnetischer Strahlung, die zu einem Übergang zwischen zwei Energieniveaus des atomaren Systems führen, ist die Frequenz der entsprechenden Spektrallinien nicht streng monochromatisch. Man beobachtet – auch bei beliebig guter Auflösung des Spektralapparates – eine Frequenzverteilung I(ν) der emittierten bzw. absorbierten Intensität um eine Mittenfrequenz ν0 (Abb. 3.1). Das Frequenzintervall δν = ∣ν2 − ν1∣ zwischen den beiden Frequenzen ν1 und ν2, bei denen die Intensität I(ν) auf I(ν0)/2 abgesunken ist, heißt die volle Halbwertsbreite (im engl. FWHM). Häufig wird die Halbwertsbreite auch im Kreisfrequenzmaß δω = 2πδν ausgedrückt oder als Wellenlängenintervall δλ = ∣λ2 − λ1∣ angegeben. Wegen λ = c/ν gilt
$$ \label{3.1} \delta\lambda = - \frac{c}{\nu^2} \delta \nu = - \frac{\lambda}{\nu} \delta \nu\;. $$
(3.1)
Die relativen Halbwertsbreiten sind in allen Schreibweisen gleich, denn aus (3.1) folgt
$$ \label{3.2} \left| \frac{\delta\lambda}{\lambda} \right| = \left| \frac{\delta\nu}{\nu} \right| = \left| \frac{\delta\omega}{\omega} \right|\;. $$
(3.2)
Man nennt den Spektralbereich innerhalb der Halbwertsbreite den Linienkern, die Bereiche außerhalb die Linienflügel [3.1].
Wolfgang Demtröder
4. Experimentelle Hilfsmittel des Spektroskopikers
Zusammenfassung
In diesem Kapitel sollen die wichtigste Ausrüstung eines spektroskopischen Labors sowie einige neuere Techniken zur Messung von Wellenlängen und zum Nachweis geringer Strahlungsintensitäten erläutert werden. Da der Erfolg eines Experimentes oft von der Wahl geeigneter Mess- und Nachweisgeräte abhängt, ist die genaue Kenntnis moderner Techniken für den Spektroskopiker von besonderer Bedeutung.
Der Einsatz von durchstimmbaren Lasern (Kap. 5) macht in vielen Fällen Monochromatoren oder Spektrographen überflüssig. Trotzdem gibt es immer noch genügend Anwendungsgebiete für diese Geräte, z. B. bei der Messung der spektralzerlegten laserinduzierten Fluoreszenz. Wir wollen daher zu Anfang die beiden wichtigsten Typen – nämlich Prismen- und Gittermonochromatoren – behandeln und ihr spektrales Auflösungsvermögen bei optimalem Einsatz diskutieren.
Die bei weitem größte Bedeutung in der Laserspektroskopie haben jedoch die Interferometer in ihren verschiedenen Modifikationen. Sie sollen daher eingehend behandelt werden. Interferometer werden nicht nur zur Messung von Wellenlängen und Profilen von Spektrallinien gebraucht, sondern finden auch Verwendung als Laserresonatoren oder als Wellenlängenfilter zur Einengung der spektralen Bandbreite innerhalb des Resonators. In Form von „Lambdametern“ sind verschiedene Interferometertypen – oft in Kombination mit Computern – als kompakte, sehr präzise Instrumente zur Messung von Laserwellenlängen entwickelt worden, die sich in der täglichen Praxis als äußerst nützlich erwiesen haben. Sie werden in Abschnitt 4.4 vorgestellt.
Wolfgang Demtröder
5. Der Laser als spektroskopische Lichtquelle
Zusammenfassung
In diesem Kapitel sollen diejenigen Eigenschaften von Lasern, die für ihre Anwendung in der Spektroskopie von Bedeutung sind, eingehender behandelt werden. Die allgemeinen physikalischen Grundlagen des Lasers werden nur kurz im Abschnitt 5.1 zusammengefasst, da es hierüber eine Reihe guter Monographien gibt [5.1–5.5], in denen auch die verschiedenen Lasertypen, ihre Eigenschaften und technischen Realisierungsmöglichkeiten erläutert werden [5.6, 5.7]. Weiterführende Darstellungen, in denen die Physik des Lasers auf quantentheoretischer Basis entwickelt wird, findet man in [5.8–5.10].
Der Hauptteil dieses Kapitels befasst sich mit Laserresonatoren, dem optischen Frequenzspektrum des Lasers, den technischen Möglichkeiten, schmalbandige Laser zu realisieren, und den Methoden, ihre Wellenlänge kontrolliert durchzustimmen. Ein solcher, praktisch monochromatischer, intensiv strahlender, intensitätsstabiler Laser, dessen Wellenlänge kontinuierlich durchstimmbar ist, stellt für den Spektroskopiker eine ideale Lichtquelle dar. Es lohnt sich daher, sich mit deren Eigenschaften und ihrer praktischen Realisierung vertraut zu machen.
Wolfgang Demtröder
Backmatter
Metadaten
Titel
Laserspektroskopie 1
verfasst von
Wolfgang Demtröder
Copyright-Jahr
2011
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-21306-9
Print ISBN
978-3-642-21305-2
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-21306-9

Neuer Inhalt

    Bildnachweise