Wolfgang Demtröde r. Laserspektroskopi e. Grundlagen und Techniken
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- Kerstin Franka Biermann
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1 Wolfgang Demtröde r Laserspektroskopi e Grundlagen und Techniken
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3 1 Einleitung 1 2 Emission und Absorption von Licht Die Moden des elektromagnetischen Feldes in einem Hohlraum Thermische Strahlung ; Planck'sches Gesetz Absorption, induzierte und spontane Emission, Einstein-Koeffizienten Grundbegriffe der Strahlungsmessung Polarisation von Licht Absorption und Dispersion Linienspektren und kontinuierliche Spektren Klassisches Modell Oszillatorenstärken und Einstein-Koeffizienten Übergangswahrscheinlichkeiten Lebensdauer angeregter Zustände Semiklassische Behandlung der Übergangswahrscheinlichkeit Kohärenz Kohärenz eines Strahlungsfeldes Zeitliche Kohärenz Räumliche Kohärenz Kohärenzvolumen Kohärenz atomarer Zustände Linienbreiten und Profile von Spektrallinien Natürliche Linienbreite Doppler-Verbreiterung Stoßverbreiterung von Spektrallinien Homogene und inhomogene Linienverbreiterung Sättigungsverbreiterung Änderung der Besetzungsdichten durch optisches Pumpen Sättigungsverbreiterung von Absorptionslinien Flugzeit-Linienbreiten Linienbreiten in Flüssigkeiten und Festkörpern 65
4 4 Experimentelle Hilfsmittel des Spektroskopikers Spektrographen und Monochromatoren Grundbegriffe Prismenspektrograph Gitterspektrograph Interferometer Michelson-Interferometer Vielstrahlinterferenz Planparalleles Fabry-Perot-Interferometer Konfokales Interferometer Dielektrische Vielfachschichten Interferenzfilter Durchstimmbare Interferometer Lyot-Filter Auflösungsvermögen und Lichtstärke von Spektrometer n und Interferometern Moderne Methoden der Wellenlängen-Messung Das Michelson-Lambdameter Sigmameter Computergesteuertes Fabry-Perot-Wellenlängenmessgerät Fizeau-Lambdameter Detektoren Thermische Detektoren Photodioden Diodenanordnungen und CCD-Detektoren Photomultiplier Photonenzählmethode Bildverstärker und optische Vielkanal-Analysatoren Der Laser als spektroskopische Lichtquelle Elementare Grundlagen des Lasers Schwellwertbedingung Bilanzgleichungen Optische Resonatoren Offene Resonatoren Räumliche Modenstrukturen im offenen Resonator Beugungsverluste offener Resonatoren Stabile und instabile Resonatoren Frequenzspektrum passiver optischer Resonatoren Laser-Moden Frequenzspektrum des aktiven Resonators Beeinflussung der Modenfrequen z durch das aktive Medium Verstärkungssättigung und Modenwechselwirkung Das Frequenzspektrum realer Mehrmoden-Laser 176
5 5.4 Experimentelle Realisierung von stabilen Einmoden-Lasern Linien-Selektion Moden-Selektion Intensitätsstabilisierung Wellenlängenstabilisierung von Lasern Kontrollierte Wellenlängendurchstimmung Wellenlängeneichung Linienbreiten von Einmoden-Lasern Durchstimmbare Laser Halbleiterlaser Durchstimmbare vibronische Festkörperlaser Farbzentrenlaser Farbstofflaser Excimer-Laser Kohärente Strahlungsquellen durch nichtlineare Frequenzverdoppelung und Mischung Grundlagen Optische Frequenzverdopplung Frequenzmischung Erzeugung kohärenter VUV-Strahlung Röntgen-Laser Differenzfrequenz-Spektrometer Optische parametrische Oszillatoren Raman-Frequenz-Konversion Doppler-begrenzte Absorptions- und Fluoreszenz-Spektroskopie mit Lasern Vorteile des Lasers für die Spektroskopie Empfindliche Verfahren der Absorptionsspektroskopie Frequenzmodulation des Lasers Absorptionsspektroskopie durch Messung der Abklingzeit eines optischen Resonators Absorptionsspektroskopie innerhalb des Laserresonators Direkte Messung der absorbierten Photonen Anregungsspektroskopie Photoakustische Spektroskopie lonisationsspektroskopie Optogalvanische Spektroskopie Optothermische Spektroskopie Magnetische Resonanz- und Stark-Spektroskopie mit Lasern Geschwindigkeitsmodulations-Spektroskopie Laserinduzierte Fluoreszenz Vergleich zwischen den verschiedenen Verfahren 295
6 7 Nichtlineare Spektroskopie Lineare und nichtlineare Absorption Sättigung inhomogen verbreiterter Absorptionsübergänge Sättigungs-Spektroskopie Polarisations-Spektroskopie Anschauliche Darstellung Die Frequenzabhängigkeit des Polarisationssignals Größe der Polarisationssignale Empfindlichkeit der Polarisations-Spektroskopie Mehrphotonen-Spektroskopie Grundlagen der Zweiphotonen-Absorption Doppler-freie Zweiphotonen-Spektroskopie Abhängigkeit des Zweiphotonen-Signal s von der Fokussierung Mehrphotonen-Spektroskopie Anwendungsbeispiele und spezielle Technike n der nichtlinearen Spektroskopie Laser-Raman-Spektroskopie Grundlagen Neuere Techniken der linearen Raman-Spektroskopie Nichtlineare Raman-Spektroskopie Induzierte Raman-Streuung Kohärente Anti-Stokes Raman-Spektroskopie Resonante CARS und Box-CARS Hyper-Raman-Effekt Anwendungen der nichtlinearen Raman-Spektroskopie Laserspektroskopie in Molekularstrahlen Reduktion der Doppler-Breite in kollimierten Strahlen Abkühlung von Molekülen in Überschallstrahlen Nichtlineare Spektroskopie in Molekularstrahlen Kollineare Laserspektroskopie in schnellen Ionenstrahlen Spektroskopie in kalten Ionenstrahlen Massenselektive Laserspektroskopie in Molekularstrahlen Optisches Pumpen und Doppelresonanz Verfahren Optisches Pumpen Optische/Radiofrequenz-Doppelresonanz Grundlagen Laser-Hochfrequenz-Doppelresonanz-Spektroskopi e in Molekularstrahlen Optische/ Mikrowellen-Doppelresonanz Optische/ Optische Doppelresonanz Vereinfachung komplexer Absorptionsspektren 412
7 Stufenweise Anregung und Spektroskopie von Rydberg-Zustanden Molekulare Rydbergzustände Resonante induzierte Raman-Streuung Beispiele für Doppelresonanz-Experimente Spezielle Doppelresonanz-Techniken Polarisations-Markierung Mikrowellen/Optische Doppelresonanz-Polarisations- Spektroskopie STIRAP-Technik Zeitaufgelöste Laserspektroskopie Erzeugung kurzer Lichtpulse Zeitverhalten gepulster Laser Güteschaltung von Laserresonatoren Modenkopplung und Pikosekundenpulse Erzeugung von Femtosekunden-Pulsen Erzeugung durchstimmbarer kurzer Pulse Solitonenlaser Erzeugung leistungsstarker ultrakurzer Pulse Der Vorstoß in den Attosekunden-Bereich Messung kurzer Lichtpulse Streakkamera Optischer Korrelator zur Messung kurzer Lichtpulse FROG-Technik SPIDER-Technik Lebensdauermessungen mit Lasern Die Phasenmethode Messung der Abklingkurve nach Einzelpulsanregung Die Methode der verzögerten Koinzidenzen Lebensdauermessungen in schnellen Atomund Ionenstrahlen Spektroskopie im Piko- und Femtosekundenbereich Stoßinduzierte Relaxation von Molekülen in Flüssigkeiten Elektronische Relaxation in Halbleitern Untersuchung molekularer Dynami k auf der Femtosekundenskala Kohärente Spektroskopie Level-Crossing-Spektroskopie Grundlagen Quantenmechanisches Modell Quantenbeat-Spektroskopie Photonen-Echo Optische Nutation und freier Induktionszerfall 511
8 12.5 Optische Pulszug-Interferenzspektroskopie Kohärente Überlagerungsspektroskopie Korrelations-Spektroskopie Messung des Homodyn-Spektrums Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie Heterodyne Korrelations-Spektroskopie Laserspektroskopie von Stoßprozessen Hochauflösende Laserspektroskopie der Stoßverbreiterung und Verschiebung von Spektrallinien Messung inelastischer Stoßquerschnitte durch LIF Stoß-Satelliten im Fluoreszenzspektrum Andere Verfahren zur Messung von Stößen im angeregten Zustand Stöße zwischen angeregten Atomen Spektroskopische Bestimmung inelastischer Stoßprozess e im elektronischen Grundzustand Zeitaufgelöster Fluoreszenznachweis Zeitaufgelöste Absorptions- und Doppelresonanz-Methode Spektroskopie von Stößen im Grundzustand mit kontinuierlichen Lasern Spektroskopische Messung differenzieller Stoßquerschnitte in gekreuzten Molekularstrahlen Spektroskopie reaktiver Stoßprozesse Stöße im Strahlungsfeld eines Lasers Neuere Entwicklungen in der Laserspektroskopie Optische Ramsey-Resonanzen Grundlagen der Ramsey-Interferenzen Zweiphotonen-Ramsey-Resonanzen Nichtlineare Ramsey-Interferenzen Photonenrückstoß Optisches Kühlen und Speichern von Atomen Optisches Kühlen durch Photonenrückstoß Optische Melasse Magneto-optische Falle Grenzen der optischen Kühlung Kräfte auf einen induzierten Dipol im Lichtfeld Bose-Einstein-Kondensation Bildung kalter Moleküle Spektroskopie an einzelnen Ionen Ionenfallen Seitenbandkühlung Direkte Beobachtung von Quantensprüngen Wigner-Kristalle in Ionenfallen 603
9 14.5 Der Einatom-Maser Auflösung innerhalb der natürlichen Linienbreite Absolute optische Frequenzmessung und Frequenzstandard Optische Frequenzketten Optische Frequenz-Teilung Optischer Frequenzkamm Kann man das Photonenrauschen überlisten? Phasen- und Amplitudenschwankungen des Lichtfeldes Quetschzustände Realisierung von Quetschzuständen Anwendungen der Squeezing-Technik" auf Gravitationswellen-Detektoren Anwendungen der Laserspektroskopie Anwendungen in der Chemie Laserspektroskopie in der analytischen Chemie Laserinduzierte chemische Reaktionen Isotopentrennung mit Lasern Laserspektroskopie in der Umwelt- und Atmosphärenforschung Absorptionsmessungen Atmosphärenmessungen mithilfe des LIDAR-Verfahrens Analytik von Verunreinigungen in Flüssigkeiten Anwendungen auf technische Probleme Untersuchung von Verbrennungsvorgängen Einsatz der Laserspektroskopie in der Materialforschung Messung von Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen Anwendungen in der Biologie Energietransfer in DNA-Komplexen Zeitaufgelöste Messungen biologischer Prozesse Korrelationsspektroskopie von Mikrobenbewegungen Lasermikroskop Konfokale Mikroskopie biologischer Objekte Einzel-Molekül-Nachweis Medizinische Anwendungen Anwendung der Raman-Spektroskopie in der Medizin Laserspektroskopie in der Ohrenheilkunde Tumordiagnose und Therapie Laserlithotripsie Weitere Anwendungen der Laserspektroskopi e in der Medizin 66 6 Literatur 667 Sachverzeichnis 719
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