Laserspektroskopie. Grundlagen und Techniken. von Wolfgang Demtröder. erweitert, überarbeitet

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1 Laserspektroskopie Grundlagen und Techniken von Wolfgang Demtröder erweitert, überarbeitet Laserspektroskopie Demtröder schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG Thematische Gliederung: Kernspinresonanz, Spektroskopie Springer 2007 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Emission und Absorption von Licht Die Moden des elektromagnetischen Feldes in einem Hohlraum ThermischeStrahlung;Planck schesgesetz Absorption, induzierte und spontane Emission, Einstein-Koeffizienten GrundbegriffederStrahlungsmessung PolarisationvonLicht AbsorptionundDispersion LinienspektrenundkontinuierlicheSpektren KlassischesModell OszillatorenstärkenundEinstein-Koeffizienten Übergangswahrscheinlichkeiten LebensdauerangeregterZustände Semiklassische Behandlung derübergangswahrscheinlichkeit Kohärenz KohärenzeinesStrahlungsfeldes ZeitlicheKohärenz RäumlicheKohärenz Kohärenzvolumen KohärenzatomarerZustände Linienbreiten und Profile von Spektrallinien NatürlicheLinienbreite Doppler-Verbreiterung StoßverbreiterungvonSpektrallinien HomogeneundinhomogeneLinienverbreiterung Sättigungsverbreiterung Änderung der Besetzungsdichten durch optisches Pumpen SättigungsverbreiterungvonAbsorptionslinien Flugzeit-Linienbreiten LinienbreiteninFlüssigkeitenundFestkörpern... 65

3 X Inhaltsverzeichnis 4 Experimentelle Hilfsmittel des Spektroskopikers SpektrographenundMonochromatoren Grundbegriffe Prismenspektrograph Gitterspektrograph Interferometer Michelson-Interferometer Vielstrahlinterferenz PlanparallelesFabry-Perot-Interferometer KonfokalesInterferometer DielektrischeVielfachschichten Interferenzfilter DurchstimmbareInterferometer Lyot-Filter Auflösungsvermögen und Lichtstärke von Spektrometern undinterferometern ModerneMethodenderWellenlängen-Messung DasMichelson-Lambdameter Sigmameter Computergesteuertes Fabry-Perot-Wellenlängenmessgerät Fizeau-Lambdameter Detektoren ThermischeDetektoren Photodioden DiodenanordnungenundCCD-Detektoren Photomultiplier Photonenzählmethode Bildverstärker und optische Vielkanal-Analysatoren Der Laser als spektroskopische Lichtquelle ElementareGrundlagendesLasers Schwellwertbedingung Bilanzgleichungen OptischeResonatoren OffeneResonatoren RäumlicheModenstrukturenimoffenenResonator BeugungsverlusteoffenerResonatoren StabileundinstabileResonatoren FrequenzspektrumpassiveroptischerResonatoren Laser-Moden FrequenzspektrumdesaktivenResonators Beeinflussung der Modenfrequenz durchdasaktivemedium Verstärkungssättigung und Modenwechselwirkung DasFrequenzspektrumrealerMehrmoden-Laser

4 Inhaltsverzeichnis XI 5.4 Experimentelle Realisierung von stabilen Einmoden-Lasern Linien-Selektion Moden-Selektion Intensitätsstabilisierung WellenlängenstabilisierungvonLasern KontrollierteWellenlängendurchstimmung Wellenlängeneichung LinienbreitenvonEinmoden-Lasern DurchstimmbareLaser Halbleiterlaser DurchstimmbarevibronischeFestkörperlaser Farbzentrenlaser Farbstofflaser Excimer-Laser Kohärente Strahlungsquellen durch nichtlineare FrequenzverdoppelungundMischung Grundlagen OptischeFrequenzverdopplung Frequenzmischung ErzeugungkohärenterVUV-Strahlung Röntgen-Laser Differenzfrequenz-Spektrometer OptischeparametrischeOszillatoren Raman-Frequenz-Konversion Doppler-begrenzte Absorptions- und Fluoreszenz-Spektroskopie mit Lasern VorteiledesLasersfürdieSpektroskopie EmpfindlicheVerfahrenderAbsorptionsspektroskopie FrequenzmodulationdesLasers Absorptionsspektroskopie durch Messung der Abklingzeit einesoptischenresonators Absorptionsspektroskopie innerhalb des Laserresonators DirekteMessungderabsorbiertenPhotonen Anregungsspektroskopie PhotoakustischeSpektroskopie Ionisationsspektroskopie OptogalvanischeSpektroskopie OptothermischeSpektroskopie Magnetische Resonanz- und Stark-Spektroskopie mit Lasern Geschwindigkeitsmodulations-Spektroskopie LaserinduzierteFluoreszenz VergleichzwischendenverschiedenenVerfahren

5 XII Inhaltsverzeichnis 7 Nichtlineare Spektroskopie LineareundnichtlineareAbsorption SättigunginhomogenverbreiterterAbsorptionsübergänge Sättigungs-Spektroskopie Polarisations-Spektroskopie AnschaulicheDarstellung Die Frequenzabhängigkeit des Polarisationssignals GrößederPolarisationssignale EmpfindlichkeitderPolarisations-Spektroskopie Mehrphotonen-Spektroskopie GrundlagenderZweiphotonen-Absorption Doppler-freieZweiphotonen-Spektroskopie Abhängigkeit des Zweiphotonen-Signals vonderfokussierung Mehrphotonen-Spektroskopie Anwendungsbeispiele und spezielle Techniken dernichtlinearenspektroskopie Laser-Raman-Spektroskopie Grundlagen NeuereTechnikenderlinearenRaman-Spektroskopie NichtlineareRaman-Spektroskopie InduzierteRaman-Streuung KohärenteAnti-StokesRaman-Spektroskopie ResonanteCARSundBox-CARS Hyper-Raman-Effekt AnwendungendernichtlinearenRaman-Spektroskopie Laserspektroskopie in Molekularstrahlen ReduktionderDoppler-BreiteinkollimiertenStrahlen AbkühlungvonMoleküleninÜberschallstrahlen NichtlineareSpektroskopieinMolekularstrahlen Kollineare Laserspektroskopie in schnellen Ionenstrahlen SpektroskopieinkaltenIonenstrahlen MassenselektiveLaserspektroskopieinMolekularstrahlen Optisches Pumpen und Doppelresonanz-Verfahren OptischesPumpen Optische/Radiofrequenz-Doppelresonanz Grundlagen Laser-Hochfrequenz-Doppelresonanz-Spektroskopie inmolekularstrahlen Optische/Mikrowellen-Doppelresonanz Optische/OptischeDoppelresonanz VereinfachungkomplexerAbsorptionsspektren

6 Inhaltsverzeichnis XIII Stufenweise Anregung und Spektroskopie vonrydberg-zuständen MolekulareRydbergzustände ResonanteinduzierteRaman-Streuung BeispielefürDoppelresonanz-Experimente SpezielleDoppelresonanz-Techniken Polarisations-Markierung Mikrowellen/Optische Doppelresonanz-Polarisations- Spektroskopie STIRAP-Technik Zeitaufgelöste Laserspektroskopie ErzeugungkurzerLichtpulse ZeitverhaltengepulsterLaser GüteschaltungvonLaserresonatoren ModenkopplungundPikosekundenpulse ErzeugungvonFemtosekunden-Pulsen ErzeugungdurchstimmbarerkurzerPulse Solitonenlaser ErzeugungleistungsstarkerultrakurzerPulse DerVorstoßindenAttosekunden-Bereich MessungkurzerLichtpulse Streakkamera Optischer Korrelator zur Messung kurzer Lichtpulse FROG-Technik SPIDER-Technik LebensdauermessungenmitLasern DiePhasenmethode MessungderAbklingkurvenachEinzelpulsanregung DieMethodederverzögertenKoinzidenzen Lebensdauermessungen in schnellen AtomundIonenstrahlen SpektroskopieimPiko-undFemtosekundenbereich Stoßinduzierte Relaxation von Molekülen in Flüssigkeiten ElektronischeRelaxationinHalbleitern Untersuchung molekularer Dynamik aufderfemtosekundenskala Kohärente Spektroskopie Level-Crossing-Spektroskopie Grundlagen QuantenmechanischesModell Quantenbeat-Spektroskopie Photonen-Echo OptischeNutationundfreierInduktionszerfall

7 XIV Inhaltsverzeichnis 12.5 OptischePulszug-Interferenzspektroskopie KohärenteÜberlagerungsspektroskopie Korrelations-Spektroskopie MessungdesHomodyn-Spektrums Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie HeterodyneKorrelations-Spektroskopie Laserspektroskopie von Stoßprozessen Hochauflösende Laserspektroskopie der Stoßverbreiterung undverschiebungvonspektrallinien MessunginelastischerStoßquerschnittedurchLIF Stoß-SatellitenimFluoreszenzspektrum Andere Verfahren zur Messung von Stößen imangeregtenzustand StößezwischenangeregtenAtomen Spektroskopische Bestimmung inelastischer Stoßprozesse imelektronischengrundzustand ZeitaufgelösterFluoreszenznachweis Zeitaufgelöste Absorptions- und Doppelresonanz-Methode Spektroskopie von Stößen im Grundzustand mitkontinuierlichenlasern Spektroskopische Messung differenzieller Stoßquerschnitte ingekreuztenmolekularstrahlen SpektroskopiereaktiverStoßprozesse StößeimStrahlungsfeldeinesLasers Neuere Entwicklungen in der Laserspektroskopie OptischeRamsey-Resonanzen GrundlagenderRamsey-Interferenzen Zweiphotonen-Ramsey-Resonanzen NichtlineareRamsey-Interferenzen Photonenrückstoß OptischesKühlenundSpeichernvonAtomen OptischesKühlendurchPhotonenrückstoß OptischeMelasse Magneto-optischeFalle GrenzenderoptischenKühlung KräfteaufeineninduziertenDipolimLichtfeld Bose-Einstein-Kondensation BildungkalterMoleküle SpektroskopieaneinzelnenIonen Ionenfallen Seitenbandkühlung DirekteBeobachtungvonQuantensprüngen Wigner-KristalleinIonenfallen

8 Inhaltsverzeichnis XV 14.5 DerEinatom-Maser AuflösunginnerhalbdernatürlichenLinienbreite Absolute optische Frequenzmessung und Frequenzstandard OptischeFrequenzketten OptischeFrequenz-Teilung OptischerFrequenzkamm KannmandasPhotonenrauschenüberlisten? Phasen- und Amplitudenschwankungen des Lichtfeldes Quetschzustände RealisierungvonQuetschzuständen Anwendungen der Squeezing-Technik aufgravitationswellen-detektoren Anwendungen der Laserspektroskopie AnwendungeninderChemie LaserspektroskopieinderanalytischenChemie LaserinduziertechemischeReaktionen IsotopentrennungmitLasern Laserspektroskopie in der Umwelt- und Atmosphärenforschung Absorptionsmessungen Atmosphärenmessungen mithilfe des LIDAR-Verfahrens AnalytikvonVerunreinigungeninFlüssigkeiten AnwendungenauftechnischeProbleme UntersuchungvonVerbrennungsvorgängen Einsatz der Laserspektroskopie in der Materialforschung Messung von Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen AnwendungeninderBiologie EnergietransferinDNA-Komplexen ZeitaufgelösteMessungenbiologischerProzesse Korrelationsspektroskopie von Mikrobenbewegungen Lasermikroskop KonfokaleMikroskopiebiologischerObjekte Einzel-Molekül-Nachweis MedizinischeAnwendungen Anwendung der Raman-Spektroskopie in der Medizin LaserspektroskopieinderOhrenheilkunde TumordiagnoseundTherapie Laserlithotripsie Weitere Anwendungen der Laserspektroskopie indermedizin Literatur Sachverzeichnis

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