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Vieweg+Teubner eBooks

Laserspektroskopie

Published Feb 23, 2009• 1 citation
Publisher

Abstract

Im Kapitel über Licht und Materie (6) haben wir die Besetzungszahl und Polarisation eines atomaren Ensembles bestimmt. Diese Größen werden im Experiment aber nicht direkt beobachtet, sondern durch ihre Wirkung auf bestimmte physikalische Eigenschaften einer Probe. Wir werden uns hier auf vollständig optische Methoden beschränken, d.h. die Fluoreszenz einer angeregten Probe oder Absorption und Dispersion eines Sondenstrahls; es gibt aber zahllose alternative Nachweisverfahren, bei denen zum Beispiel die Wirkung auf akustische oder elektrische Eigenschaften untersucht wird. Für einen breiteren Überblick über das umfangreiche Gebiet der Laserspektroskopie verweisen wir zum Beispiel auf [42].

DOI
10.1007/978-3-8348-9288-1_11

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Laserspektroskopie

Dieter Meschede

Im Kapitel über Licht und Materie (6) haben wir die Besetzungszahl und Polarisation eines atomaren Ensembles, bestimmt. Diese Größen werden im Experiment aber nicht direkt beobachtet, sondern durch ihre Wirkung auf bestimmte physikalische Eigenschaften einer Probe. Wir werden uns hier auf vollständig optische Methoden beschränken, d. h. die Fluoreszenz einer angeregten Probe oder Absorption und Dispersion eines Sondenstrahls; es gibt aber zahllose alternative Nachweisverfahren, bei denen zum Beispiel die Wirkung auf akustische oder elektrische Eigenschaften untersucht wird. Für einen breiteren Überblick über das umfangreiche Gebiet der Laserspektroskopie verweisen wir zum Beispiel [23].

Vieweg+Teubner eBooks•Jan 1, 1999•0 citations

Laserspektroskopie

Dieter Meschede

Im Kapitel über Licht und Materie (6) haben wir die Besetzungszahl und Polarisation eines atomaren Ensembles bestimmt. Diese Größen werden im Experiment aber nicht direkt beobachtet, sondern durch ihre Wirkung auf bestimmte physikalische Eigenschaften einer Probe.

Teubner-Studienbücher. Physik•Jan 1, 2005•0 citations

Prinzip der Laser

Fritz Kurt Kneubühl, Markus W. Sigrist

In diesem Kapitel wird das Prinzip der Laser erläutert. Zuerst werden die Bedingungen für kohärente Lichtverstärkung hergeleitet. Laser bestehen im wesentlichen aus einem strahlenden Medium und einer Strahlungsrückkopplung. Das laseraktive Medium wird weitgehend durch das Strahlungsspektrum beschrieben, welches meist durch charakteristische Spektrallinien gekennzeichnet ist. Die Strahlungsrückkopplung erfolgt durch optische Resonatoren und verwandte Vorrichtungen. Spektrallinien und Resonatoren werden in den beiden folgenden Kapiteln 4 und 5 ausführlich beschrieben. Im vorliegenden Kapitel begnügen wir uns vorerst mit den notwendigen Hinweisen auf ihre Bedeutung und Eigenschaften. Dagegen befassen wir uns vor allem mit dem Begriff der Besetzungsinversion. In diesem Sinne leiten wir die Schwellenbedingung für die Besetzungsinversion eines laseraktiven Mediums in einem Resonator her. In der Folge geben wir eine Übersicht über die verschiedenen Methoden, Besetzungsinversionen zu erzeugen, d. h. über die Anregungsarten der Laseremission. Schließlich untersuchen wir das zeitliche Verhalten der Populationsinversion und der Strahlung im Resonator.

Teubner-Studienbücher. Physik•Jan 1, 2005•0 citations

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Fritz Kurt Kneubühl, Markus W. Sigrist

In diesem Kapitel wird das Prinzip der Laser erläutert. Zuerst werden die Bedingungen für kohärente Lichtverstärkung hergeleitet. Laser bestehen im wesentlichen aus einem strahlenden Medium und einer Strahlungsrückkopplung. Das laseraktive Medium wird weitgehend durch das Strahlungsspektrum beschrieben, welches meist durch charakteristische Spektrallinien gekennzeichnet ist. Die Strahlungsrückkopplung erfolgt durch optische Resonatoren und verwandte Vorrichtungen. Spektrallinien und Resonatoren werden in den beiden folgenden Kapiteln 4 und 5 ausführlich beschrieben. Im vorliegenden Kapitel begnügen wir uns vorerst mit den notwendigen Hinweisen auf ihre Bedeutung und Eigenschaften. Dagegen befassen wir uns vor allem mit dem Begriff der Besetzungsinversion. In diesem Sinne leiten wir die Schwellenbedingung für die Besetzungsinversion eines laseraktiven Mediums in einem Resonator her. In der Folge geben wir eine Übersicht über die verschiedenen Methoden, Besetzungsinversionen zu erzeugen, d. h. über die Anregungsarten der Laseremission. Schließlich untersuchen wir das zeitliche Verhalten der Populationsinversion und der Strahlung im Resonator.

Teubner-Studienbücher. Physik•Jan 1, 1999•0 citations

Prinzip der Laser

Fritz Kurt Kneubühl, Markus W. Sigrist

ZusammenfassungIn diesem Kapitel wird das Prinzip der Laser erläutert. Zuerst werden die Bedingungen für kohärente Lichtverstärkung hergeleitet. Laser bestehen im wesentlichen aus einem strahlenden Medium und einer Strahlungsrückkopplung. Das laseraktive Medium wird weitgehend durch das Strahlungsspektrum beschrieben, welches meist durch charakteristische Spektrallinien gekennzeichnet ist. Die Strahlungsrückkopplung erfolgt durch optische Resonatoren und verwandte Vorrichtungen. Spektral linien und Resonatoren werden in den beiden folgenden Kapiteln 4 und 5 ausführlich beschrieben. Im vorliegenden Kapitel begnügen wir uns vorerst mit den notwendigen Hinweisen auf ihre Bedeutung und Eigenschaften. Dagegen befassen wir uns vor allem mit dem Begriff der Besetzungsinversion. In diesem Sinne leiten wir die Schwellenbedingung für die Besetzungsinversion eines laseraktiven Mediums in einem Resonator her. In der Folge geben wir eine Uebersicht über die verschiedenen Methoden, Besetzungsinversionen zu erzeugen, d.h. über die Anregungsarten der Laseremission. Schliesslich untersuchen wir das zeitliche Verhalten der Populations inversion und der Strahlung im Resonator.

Vieweg+Teubner eBooks•Jan 1, 1989•0 citations

Optische Kaskadierung zweier räumlich getrennter Proben unter Verwendung fluoreszierender photoschaltbarer Moleküle

Andrea Albert

Der Begriff Photochromie umfasst Phänomene, bei welchen eine Substanz durch Beleuchtung mit Licht bestimmter Wellenlängen eine reversible Änderung zwischen zwei Formen mit verschiedenen Absorptionsspektren und damit unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufweist. Derartige photoschaltbare Moleküle sind bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts bekannt und auch heute noch Gegenstand verschiedenster Forschungsgebiete. So sind photochrome Moleküle beispielsweise im Gebiet der höchstauflösenden Mikroskopie (engl. super-resolution microscopy) von großem Interesse. Durch das Schalten solcher Moleküle zwischen einem hellen und einem dunklen Zustand kann über verschiedene, oft stochastische Methoden, die optische Auflösungsgrenze deutlich gesenkt werden. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet photochromer Substanzen liegt in der molekularen Elektronik. Derartige Moleküle können beispielsweise als optischer Speicher, Schalter oder Transistor fungieren und geraten auch immer mehr in den Fokus für die Realisierung logischer Verknüpfungen. Neben der Nachbildung einzelner Funktionen durch photochrome Moleküle ist zudem eine optische Verknüpfung verschiedener Materialien von Bedeutung. Eine solche optische Kaskade würde die Weiterverwendung eines optischen Signals, beispielsweise ausgehend von photochromen Molekülen, für andere Zwecke ermöglichen. Im Hinblick darauf liegt das Ziel dieser Arbeit darin, eine optische Kaskade zweier räumlich deutlich getrennter Proben im dünnen Film zu realisieren. Dabei soll die erste Komponente aus einem Ensemble photoschaltbarer Moleküle und die zweite aus einem Farbstoff im Ensemble bestehen. Ziel ist es, eine modulierte Fluoreszenz des Photoschalter-Ensembles zur Anregung der Moleküle im Farbstoff-Ensemble zu nutzen und eine ebenso modulierte Fluoreszenz des Farbstoff-Ensembles zu detektieren. Hierzu wird zunächst der theoretische Hintergrund zu photoschaltbaren Molekülen erarbeitet. Dabei wird der Fokus stark auf Diarylethene gelegt, welche eine Ringschluss- bzw. Ringöffnungsreaktion durch Beleuchtung mit Licht im ultravioletten bzw. sichtbarem Spektralbereich zeigen. Diarylethene existieren in zwei weit verbreiteten, verschiedenen Varianten – so werden zum einen molekulare Systeme aus kovalent gebundenen Diarylethen- und fluoreszierenden Farbstoffeinheiten und zum anderen Diarylethene mit Eigenfluoreszenz erforscht. Besonders thematisiert wird auch das Fluoreszenzverhalten molekularer Diarylethen-Farbstoff-Systeme im Ensemble, welches bei geeigneter Beleuchtung mit Licht im ultravioletten bzw. sichtbaren Spektralbereich eine Fluoreszenzmodulation liefert. Diese Modulation kann wiederum über den sogenannten Kontrast quantifiziert werden. Einen großen Teil der Arbeit nimmt die Charakterisierung zweier fluoreszierender Diarylethene ein. Diese dient dazu, einen für die geplante optische Kaskade geeigneten Photoschalter auszuwählen. Die Charakterisierung umfasst dabei zunächst die Absorptions- und Emissionsspektren beider Diarylethene in Lösung sowie die Fluoreszenzquantenausbeuten der geschlossenen und offenen Konformationen. Zudem werden Modulationsmessungen an den beiden Diarylethenen im Ensemble in dünnen Filmen durchgeführt, um deren Fluoreszenzverhalten bei sequentieller Beleuchtung im sichtbaren bzw. ultravioletten Spektralbereich zu analysieren. Diese ergeben, dass die Photoschalter in den Ringschlussexperimenten eine Fluoreszenzmodulation mit einem sehr hohen Kontrast von über 80 % erzeugen können. Die Ringöffnungsexperimente dagegen zeigen für geeignete Anregungsintensitäten der sichtbaren bzw. ultravioletten Beleuchtung eine effektive Entvölkerung des fluoreszierenden Zustands (entspricht der geschlossenen Konformation) der Photoschalter und die Ausbildung einer deutlichen Fluoreszenzspitze. Zur Interpretation der Ergebnisse wird ein umfassendes kinetisches Modell entwickelt. Dieses beinhaltet dabei sowohl einen Anteil nicht-photoaktiver Photoschalter im Ensemble als auch die Sättigung des Absorptionsquerschnitts bei hohen Anregungsintensitäten. Für die Realisierung der geplanten optische Kaskade wird daraufhin ein (zum ausgewählten Photoschalter) passender Farbstoff ermittelt. Die Demonstration der optischen Kaskade und die darauffolgende quantitative Betrachtung zeigen, dass auch die Fluoreszenzmodulation des Farbstoff-Ensembles einen Kontrast von etwa 80 % erreichen kann. Durch die Durchführung eines Kontrollexperiments wird abschließend noch das Vorliegen einer optischen Kaskade bestätigt.

•Jul 1, 2026•0 citations
Im Kapitel über Licht und Materie (6) haben wir die Besetzungszahl und Polarisation eines atomaren Ensembles bestimmt. Diese Größen werden im Experiment aber nicht direkt beobachtet, sondern durch ihre Wirkung auf bestimmte physikalische Eigenschaften einer Probe. Wir werden uns hier auf vollständig optische Methoden beschränken, d.h. die Fluoreszenz einer angeregten Probe oder Absorption und Dispersion eines Sondenstrahls; es gibt aber zahllose alternative Nachweisverfahren, bei denen zum Beispiel die Wirkung auf akustische oder elektrische Eigenschaften untersucht wird. Für einen breiteren Überblick über das umfangreiche Gebiet der Laserspektroskopie verweisen wir zum Beispiel auf [42].
Im Kapitel über Licht und Materie (6) haben wir die Besetzungszahl und Polarisation eines atomaren Ensembles, bestimmt. Diese Größen werden im Experiment aber nicht direkt beobachtet, sondern durch ihre Wirkung auf bestimmte physikalische Eigenschaften einer Probe. Wir werden uns hier auf vollständig optische Methoden beschränken, d. h. die Fluoreszenz einer angeregten Probe oder Absorption und Dispersion eines Sondenstrahls; es gibt aber zahllose alternative Nachweisverfahren, bei denen zum Beispiel die Wirkung auf akustische oder elektrische Eigenschaften untersucht wird. Für einen breiteren Überblick über das umfangreiche Gebiet der Laserspektroskopie verweisen wir zum Beispiel [23].
In diesem Kapitel wird das Prinzip der Laser erläutert. Zuerst werden die Bedingungen für kohärente Lichtverstärkung hergeleitet. Laser bestehen im wesentlichen aus einem strahlenden Medium und einer Strahlungsrückkopplung. Das laseraktive Medium wird weitgehend durch das Strahlungsspektrum beschrieben, welches meist durch charakteristische Spektrallinien gekennzeichnet ist. Die Strahlungsrückkopplung erfolgt durch optische Resonatoren und verwandte Vorrichtungen. Spektrallinien und Resonatoren werden in den beiden folgenden Kapiteln 4 und 5 ausführlich beschrieben. Im vorliegenden Kapitel begnügen wir uns vorerst mit den notwendigen Hinweisen auf ihre Bedeutung und Eigenschaften. Dagegen befassen wir uns vor allem mit dem Begriff der Besetzungsinversion. In diesem Sinne leiten wir die Schwellenbedingung für die Besetzungsinversion eines laseraktiven Mediums in einem Resonator her. In der Folge geben wir eine Übersicht über die verschiedenen Methoden, Besetzungsinversionen zu erzeugen, d. h. über die Anregungsarten der Laseremission. Schließlich untersuchen wir das zeitliche Verhalten der Populationsinversion und der Strahlung im Resonator.
In diesem Kapitel wird das Prinzip der Laser erläutert. Zuerst werden die Bedingungen für kohärente Lichtverstärkung hergeleitet. Laser bestehen im wesentlichen aus einem strahlenden Medium und einer Strahlungsrückkopplung. Das laseraktive Medium wird weitgehend durch das Strahlungsspektrum beschrieben, welches meist durch charakteristische Spektrallinien gekennzeichnet ist. Die Strahlungsrückkopplung erfolgt durch optische Resonatoren und verwandte Vorrichtungen. Spektrallinien und Resonatoren werden in den beiden folgenden Kapiteln 4 und 5 ausführlich beschrieben. Im vorliegenden Kapitel begnügen wir uns vorerst mit den notwendigen Hinweisen auf ihre Bedeutung und Eigenschaften. Dagegen befassen wir uns vor allem mit dem Begriff der Besetzungsinversion. In diesem Sinne leiten wir die Schwellenbedingung für die Besetzungsinversion eines laseraktiven Mediums in einem Resonator her. In der Folge geben wir eine Übersicht über die verschiedenen Methoden, Besetzungsinversionen zu erzeugen, d. h. über die Anregungsarten der Laseremission. Schließlich untersuchen wir das zeitliche Verhalten der Populationsinversion und der Strahlung im Resonator.
ZusammenfassungIn diesem Kapitel wird das Prinzip der Laser erläutert. Zuerst werden die Bedingungen für kohärente Lichtverstärkung hergeleitet. Laser bestehen im wesentlichen aus einem strahlenden Medium und einer Strahlungsrückkopplung. Das laseraktive Medium wird weitgehend durch das Strahlungsspektrum beschrieben, welches meist durch charakteristische Spektrallinien gekennzeichnet ist. Die Strahlungsrückkopplung erfolgt durch optische Resonatoren und verwandte Vorrichtungen. Spektral linien und Resonatoren werden in den beiden folgenden Kapiteln 4 und 5 ausführlich beschrieben. Im vorliegenden Kapitel begnügen wir uns vorerst mit den notwendigen Hinweisen auf ihre Bedeutung und Eigenschaften. Dagegen befassen wir uns vor allem mit dem Begriff der Besetzungsinversion. In diesem Sinne leiten wir die Schwellenbedingung für die Besetzungsinversion eines laseraktiven Mediums in einem Resonator her. In der Folge geben wir eine Uebersicht über die verschiedenen Methoden, Besetzungsinversionen zu erzeugen, d.h. über die Anregungsarten der Laseremission. Schliesslich untersuchen wir das zeitliche Verhalten der Populations inversion und der Strahlung im Resonator.
Der Begriff Photochromie umfasst Phänomene, bei welchen eine Substanz durch Beleuchtung mit Licht bestimmter Wellenlängen eine reversible Änderung zwischen zwei Formen mit verschiedenen Absorptionsspektren und damit unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufweist. Derartige photoschaltbare Moleküle sind bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts bekannt und auch heute noch Gegenstand verschiedenster Forschungsgebiete. So sind photochrome Moleküle beispielsweise im Gebiet der höchstauflösenden Mikroskopie (engl. super-resolution microscopy) von großem Interesse. Durch das Schalten solcher Moleküle zwischen einem hellen und einem dunklen Zustand kann über verschiedene, oft stochastische Methoden, die optische Auflösungsgrenze deutlich gesenkt werden. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet photochromer Substanzen liegt in der molekularen Elektronik. Derartige Moleküle können beispielsweise als optischer Speicher, Schalter oder Transistor fungieren und geraten auch immer mehr in den Fokus für die Realisierung logischer Verknüpfungen. Neben der Nachbildung einzelner Funktionen durch photochrome Moleküle ist zudem eine optische Verknüpfung verschiedener Materialien von Bedeutung. Eine solche optische Kaskade würde die Weiterverwendung eines optischen Signals, beispielsweise ausgehend von photochromen Molekülen, für andere Zwecke ermöglichen. Im Hinblick darauf liegt das Ziel dieser Arbeit darin, eine optische Kaskade zweier räumlich deutlich getrennter Proben im dünnen Film zu realisieren. Dabei soll die erste Komponente aus einem Ensemble photoschaltbarer Moleküle und die zweite aus einem Farbstoff im Ensemble bestehen. Ziel ist es, eine modulierte Fluoreszenz des Photoschalter-Ensembles zur Anregung der Moleküle im Farbstoff-Ensemble zu nutzen und eine ebenso modulierte Fluoreszenz des Farbstoff-Ensembles zu detektieren. Hierzu wird zunächst der theoretische Hintergrund zu photoschaltbaren Molekülen erarbeitet. Dabei wird der Fokus stark auf Diarylethene gelegt, welche eine Ringschluss- bzw. Ringöffnungsreaktion durch Beleuchtung mit Licht im ultravioletten bzw. sichtbarem Spektralbereich zeigen. Diarylethene existieren in zwei weit verbreiteten, verschiedenen Varianten – so werden zum einen molekulare Systeme aus kovalent gebundenen Diarylethen- und fluoreszierenden Farbstoffeinheiten und zum anderen Diarylethene mit Eigenfluoreszenz erforscht. Besonders thematisiert wird auch das Fluoreszenzverhalten molekularer Diarylethen-Farbstoff-Systeme im Ensemble, welches bei geeigneter Beleuchtung mit Licht im ultravioletten bzw. sichtbaren Spektralbereich eine Fluoreszenzmodulation liefert. Diese Modulation kann wiederum über den sogenannten Kontrast quantifiziert werden. Einen großen Teil der Arbeit nimmt die Charakterisierung zweier fluoreszierender Diarylethene ein. Diese dient dazu, einen für die geplante optische Kaskade geeigneten Photoschalter auszuwählen. Die Charakterisierung umfasst dabei zunächst die Absorptions- und Emissionsspektren beider Diarylethene in Lösung sowie die Fluoreszenzquantenausbeuten der geschlossenen und offenen Konformationen. Zudem werden Modulationsmessungen an den beiden Diarylethenen im Ensemble in dünnen Filmen durchgeführt, um deren Fluoreszenzverhalten bei sequentieller Beleuchtung im sichtbaren bzw. ultravioletten Spektralbereich zu analysieren. Diese ergeben, dass die Photoschalter in den Ringschlussexperimenten eine Fluoreszenzmodulation mit einem sehr hohen Kontrast von über 80 % erzeugen können. Die Ringöffnungsexperimente dagegen zeigen für geeignete Anregungsintensitäten der sichtbaren bzw. ultravioletten Beleuchtung eine effektive Entvölkerung des fluoreszierenden Zustands (entspricht der geschlossenen Konformation) der Photoschalter und die Ausbildung einer deutlichen Fluoreszenzspitze. Zur Interpretation der Ergebnisse wird ein umfassendes kinetisches Modell entwickelt. Dieses beinhaltet dabei sowohl einen Anteil nicht-photoaktiver Photoschalter im Ensemble als auch die Sättigung des Absorptionsquerschnitts bei hohen Anregungsintensitäten. Für die Realisierung der geplanten optische Kaskade wird daraufhin ein (zum ausgewählten Photoschalter) passender Farbstoff ermittelt. Die Demonstration der optischen Kaskade und die darauffolgende quantitative Betrachtung zeigen, dass auch die Fluoreszenzmodulation des Farbstoff-Ensembles einen Kontrast von etwa 80 % erreichen kann. Durch die Durchführung eines Kontrollexperiments wird abschließend noch das Vorliegen einer optischen Kaskade bestätigt.