Laserspektroskopie

Die Materialforschung betreibt ein hochauflösendes Laserspektrometer für die Spektroskopie an durch Ionenbestrahlung oder andere äußere Einflüsse modifizierten Festkörpern. Dieses System beinhaltet einen schmalbandigen, durchstimmbaren Dauerstrich-Farbstofflaser hoher Leistung zur selektiven Anregung von elektronischen Übergängen optischer Sonden, die in die zu untersuchenden Festkörper im Allgemeinen per Dotierung eingebracht werden. Insbesondere finden aufgrund ihrer sehr scharfen Übergänge die Ionen der Seltenen Erden als Festkörpersonden Verwendung. Diese Ionen spüren durch den Starkeffekt die elektrischen Felder ihrer näheren Umgebung, womit sich etwaige strukturelle Veränderungen des sie umgebenden Festkörpers im Gegenzug in ihren optischen Eigenschaften niederschlagen können. Die Aufklärung des Zusammenhangs zwischen lokaler, gestörter Umgebung einer Sonde und ihres durch die Störung modifizierten optischen Spektrums ist das Ziel dieser Untersuchungen.

  Schema: Zwei-Photonen-Konfiguration

Das Laserspektrometer ist mit seiner hohen Laserleistung und durch größtmögliche Empfindlichkeit des Fluoreszenzmeßsystems speziell auch auf die Untersuchung von Zwei-Photonen-Übergängen ausgelegt. Das Schema (s.o.), zeigt diese Zwei-Photonen-Konfiguration des Spektrometers: Ein ins Grüne frequenzverdoppelter Neodym-Yttrium-Vanadat Laser pumpt den Farbstofflaser, dessen Laserstrahl mit geringstmöglichen Verlusten durch ein Brewsterfenster in die Probenkammer eintritt. Der Laserstrahl wird durch eine kurzbrennweitige Linse in die zu untersuchende Probe fokussiert. Der durch die Probe transmittierte Strahl wird durch eine weitere Linse rekollimiert und tritt durch ein zweites Brewsterfenster aus der Vakuumkammer aus, wo er zur Wellenlängen- und Leistungsmessung genutzt wird. Bei zum Spektrum der Selten-Erd-Ionen korrespondierenden Wellenlängen induziert das zur Beleuchtung der Probe herangezogene Licht eine Zwei-Photonenabsorption. Das bei der folgenden Ein-Photonenabregung erzeugte Fluoreszenzlicht wird von der Probe allseitig abgestrahlt. Die Ein-Photonenabregung erfolgt aus Gründen der Energieerhaltung gerade bei exakt der halben Wellenlänge des eingestrahlten Laserlichts mit einer normalerweise sehr kleinen Rotverschiebung aufgrund strahlungsloser Übergänge. Ein sorgfältig maximierter Anteil des Fluoreszenzlichts wird kollimiert und durch ein System von Interferenzfiltern von nicht-resonantem Streulicht befreit, um danach anhand eines empfindlichen, gekühlten Photoelektronenvervielfachers integral nachgewiesen zu werden. Die Intensität des Fluoreszenzlichts aufgetragen gegen die Wellenzahl des eingestrahlten Lichts für dreiwertige Gadoliniumionen in Gadolinium-Gallium-Granat ist im gezeigten, mit dieser Methode aufgenommenen Spektrum dargestellt.