Optische Spektroskopie mit Lasern: Grundlagen und Anwendungen. Wann: Mi Fr Wo: P1 - O1-306

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1 Laserspektroskopie Was: Optische Spektroskopie mit Lasern: Grundlagen und Anwendungen Wann: Mi Fr Wo: P1 - O1-306 Wer: Dieter Suter Raum P1-O1-216 Tel Dieter.Suter@uni-dortmund.de

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Laser 3. Zweiniveauatome 4. Experimentelle Techniken 5. Laserkühlung 6. Nichtklassisches Licht 7. Nichtlineare Laserspektroskopie

3 Literatur W. Demtröder : Laserspektroskopie Springer-Verlag, 4.Auflage (2000). F.K. Kneubühl, M.W. Sigrist : Laser Teubner Studienbücher Physik (1999). D. Meschede : Optik, Licht und Laser Teubner Studienbücher Physik (1999). A. E. Siegmann : Lasers University Science Books, J.H. Eberly : Optical resonance and two-level atoms Dover Publications, D. Suter : The physics of laser-atom interaction Cambridge University Press, 2005.

4 Licht und Materie Newton ( ) Goethe ( )

5

6 Streuung

7 Streuung Vakuum Laserstrahl Materie Laserstrahl kein Licht u.a. blauer Himmel - Homogene Materie - Inhomogene Materie

8 Absorption absorbierendes Medium Licht Intensität I Distanz z

9 Absorption und Emission

10 Brechung n ~ 1 n ~ 1 n > 1 n > 1

11 Ausbreitungsgeschwindigkeit v G Signalausbreitung v P v F

12 Mikroskopisches Modell

13 Wellenlängenabhängigkeit Dipolar Polarisierbarkeit α Ionisch Elektronisch Mikrowellen Infrarot Ultraviolett Frequenz ω

14 1.4 Formen der Spektroskopie Das allgemeine Umfeld: - Wellen oder Teilchen - elektrische oder magnetische Wechselwirkung - Frequenzbereich - lineare / nichtlineare Spektroskopie - Zeit- oder Frequenzbereich - Absorption / Dispersion / Emission

15 Frequenz [Hz] Wellenlänge [m] Frequenzbereiche γ-strahlen Röntgen VUV UV Sichtbar IR FIR THz-Wellen Mikrowellen Radiowellen

16 Wechselwirkungen E - - Dipol: - statisch - induziert Quadrupol (elektr.) + H Oktupol (magn.) elektrisches Feld Magnetfeld Ausbreitungsrichtung

17 γ-strahlen 57 Co (T=270 Tage) J a =5/2 137 kev J a =3/2 14,4 kev J a =1/2 57 Fe 0 kev γ-astronomie

18 γ-spektroskopie Energie [kev] relative Stärke Energie [kev] relative Stärke

19 γ-spektroskopie 57 Co 235 U (97%) Counts Counts Energie / kev Energie / kev

20 Mössbauer-Spektroskopie E / nev 57 Fe 3 O 4 film relative Intensität / % Fe 2.5+ Fe 3+ Geschwindigkeit / mm/s

21 Röntgenfluoreszenz Bsp.: Wolfram K α -Strahlung 58 kev Minimale Anregungsenergie E 70 kev

22 Laserspektroskopie Anregung von Valenzelektronen durch optische Photonen Zustände und Systeme e> Atome Moleküle Halbleiter LB g> VB

23 Beispiel : Wasserstoff Emission Absorption

24 Linienbreiten 1 H 1s-2s Übergang Laser-Verstimmung [khz@243 nm]

25 Klassischer harmonischer Oszillator: Vibrationsübergänge

26 E. Pretsch, T. Clerc, J. Seibl, and W. Simon, 'Tabellen zur Strukturaufklärung organischer Verbindungen', Springer, Berlin (1976). Frequenz / cm IR-Banden Zuordnung }-H Streckschwingungen

27 Transmission / % IR-Spektrum Wellenlänge / µm Wellenzahl / cm -1

28 Hochauflösende IR Spektroskopie molekulare Absorptionsbande von O 3 FT-IR Spektrometer Detail mit hoher Auflösung (FIR-Laser)

29 Energie / h 2 /2I Lineares Molekül: Rotationsübergänge CO T R = 40K Spektrum Frequenz Asymmetrisches Molekül: CH 3 OH T R = 40 K Frequenz / GHz 0 Frequenz / GHz

30 Magnetische Resonanz E B rf B Prinzip Die magnetische Resonanz erzeugt und misst Übergänge zwischen unterschiedlichen Spinzuständen, die durch eine exernes Magnetfeld aufgespalten werden. Ausführung Statisches Magnetfeld rf-feld ~10 MHz GHz

31 Elektronenspinresonanz Cytochrom ungeordnetes System: Orientierungsmittel ESR 14 GHz Magnetfeld / T

32 GaAs Quantenfilme Wachstumsrichtung AlAs Barrieren Substrat GaAs Quantentöpfe Dicke des Quantentopfs Snelling et al., PRB 44, (1991).

33 Kernspinrsonanz (NMR)

34 Anwendungen der NMR Struktur und Dynamik von Molekülen Spins inside Quantum processor

35 Kernspintomographie (MRI)

36 Materialverarbeitung Unterhaltung Medizin Messtechnik CD, DVD Laser Anwendungen Datenübertragung Laserdrucker Laser Photodiode

37 Weitere Anwendungen von Lasern Kalte Atome, BEC

38 Gravitationswellen