Laserspektroskopie: Grundlagen und Techniken

734 Pages·2007·21.637 MB·German

by  Wolfgang Demtröder (auth.)

Demtröder
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Grundlagen und Techniken
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5. Auflage
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1 23
uflage
Laserspektroskopie
Wolfgang Demtröder
Laserspektroskopie
Grundlagen und Techniken
Fünfte,erweiterteundneubearbeiteteAuflage
MitAbbildungen
123
WolfgangDemtröder
UniversitätKaiserslautern
FachbereichPhysik
Erwin-Schrödinger-Straße
Kaiserslautern,Deutschland
E-Mail:[email protected]
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ISBN ---- .Auflage SpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN --- .Auflage SpringerBerlinHeidelbergNewYork
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Vorwortzur . Auflage
DieLaserspektroskopieistauchfastJahrenachRealisierungdeserstenLasersein
sehraktuellesundstarkexpandierendesGebiet.Dieszeigtsichz.B.unteranderem
daran, dass in den letzten  Jahren  Nobelpreise an  Laserspektroskopiker und
Quantenoptikervergebenwurden.
DiepositiveEntwicklungbetrifftzumeinenneueexperimentelleTechniken,wie
z.B.dieRealisierung voninweitenSpektralbereichendurchstimmbaren optischen
parametrischenOszillatorenundVerstärkernimFemtosekundenbereich,dieErzeu-
gungvonAttosekundenpulsen,dieRevolutioninderMessungoptischerFrequenzen
durch die Entwicklung des optischen Frequenzkamms oder die vielfältigen Tech-
nikenzurErzeugungvonBose-Einstein-Kondensaten vonAtomenundMolekülen
unddieDemonstrationvonAtomlasern.
DiesetechnischenEntwicklungenhabennatürlicheineReiheneuerGebieteder
Grundlagenforschung erschlossen und auch Anwendungen in Chemie, Biologie,
MetrologieundNachrichtentechnikgefunden.
Die hier vorgelegte . Auflage der Laserspektroskopie versucht, wenigsten die
wichtigsten dieser neuen Entwicklungen darzustellen und mit Hinweisen auf Ori-
ginal-LiteraturdasgenauereStudiumvonSpezialgebietenzuerleichtern.
Wie in den vorhergehenden Auflagen möchte der Autor auch hier wieder um
dieaktiveMitarbeitseinerLeserbitten,indemsieihnaufFehleroderUnklarheiten
hinweisenoderAnregungenfürVerbesserungengeben.
DemTeamvonLE-TEX,insbesondereFrauClaudiaRau,möchteichherzlichfür
seineHilfebeiderDrucklegungunddemLayoutdankenundHerrnDr.Schneider
vomSpringerVerlagfürseinestetsermutigendeunterstützendeundgeduldigeBe-
gleitungdiesesProjektes.
Kaiserslautern
April W.Demtröder
Vorwortzur . Auflage
SeitdemErscheinender.deutschenAuflagediesesBuchesimJahrehatsich
dieLaserspektroskopieineindrucksvollerWeiseweiterentwickeltundistinzwischen
invielenBereichenderGrundlagenforschungundihrenAnwendungenzueinerun-
entbehrlichenUntersuchungsmethodegeworden.IndieserZeitwurdeneineReihe
neuer Lasertypen entwickelt und die Technik der Frequenzmischung und nichtli-
nearenOptikaufeinengrößerenSpektralbereichvomVakuum-Ultraviolettenbisins
ferneInfrarotausgedehnt.AucheineVielzahlneuerempfindlicherNachweistechni-
ken wurden verbessert oder erfunden. Insbesondere auf dem Gebiet der Untersu-
chungeneinzelnerAtomeundIonen,dieoptischgekühltundinFallengespeichert
werdenkönnen,sindaufsehenerregendeErfolgeerzieltworden.
Deshalberschienesnotwendig,diesesalsLehrbuchderLaserspektroskopiekon-
zipierteBuch,dasschoninseiner.AuflageeinesehrfreundlicheAufnahmegefun-
den hatte, völlig neu zu überarbeiten. Dabei haben viele Leser der deutschen und
englischenAusgabedurchihreZuschriften,HinweiseaufFehlerundVerbesserungs-
vorschläge geholfen. Ihnen allen sei dafür herzlich gedankt. Auch wenn in dieser
.AuflagevielesolcherHinweisezursachlichenunddidaktischenVerbesserungder
Darstellunggenutztwurden,lebteinLehrbuchimmervonderMitarbeitkritischer
Leser. Der Autor möchte deshalb auch weiterhin um Kommentare und Verbesse-
rungsvorschläge seiner Leser bitten. Er würde sich sehr freuen, wenn dieses Buch
dazumithilft,dasinteressanteGebietderLaserspektroskopieeinemgrößerenKreis
vonStudentenundjungenWissenschaftlernleichterzugänglichzumachen.DieLa-
serspektroskopiehatdenVerfasserwährendderJahre,dieeraufdiesemGebiet
gearbeitethat,immersehrfasziniert.DiesesBuchmöchteetwasvondieserFaszina-
tionaufdenLeserübertragen.
VieleLeutehabenbeidiesemBuchmitgeholfen.AllenKollegen,dieAbbildungen
ausihrenForschungsarbeitenzurVerfügunggestelltoderihreErlaubniszurNach-
zeichnung gegeben haben, sei herzlich gedankt. Viele Beispiele sind aus Arbeiten
meiner Mitarbeiter inKaiserslautern entnommen, denendafür ebenfalls Dank ge-
bührt. MeinDank giltFrauWeyland,dieeinenTeildesManuskriptes geschrieben
hatundFrauWollscheid,dievieleBildergezeichnethat.BesondererDankgebührt
Dr.H.Lotsch,FrauIlonaKaiserunddenanderenMitarbeiterndesSpringerVerla-
gesfürihreaktiveMitarbeitbeiderFertigstellungdesBuchesundihreGeduld,wenn
TerminevomAutornichteingehaltenwurden.
VIII Vorwortzur.Auflage
ZumSchluss möchteichmeiner Frauganz besonders danken, die vielGeduld
undVerständnisaufgebrachthatfürdievielenArbeitswochenenden,welchefürdas
SchreibeneinessolchenBuchesgebrauchtwurden.
Kaiserslautern
Januar W.Demtröder
Inhaltsverzeichnis
 Einleitung .......................................................... 
 EmissionundAbsorptionvonLicht.................................. 
. DieModendeselektromagnetischenFeldesineinemHohlraum.... 
. ThermischeStrahlung;Planck’schesGesetz ....................... 
. Absorption,induzierteundspontaneEmission,
Einstein-Koeffizienten........................................... 
. GrundbegriffederStrahlungsmessung............................ 
. PolarisationvonLicht........................................... 
. AbsorptionundDispersion...................................... 
.. LinienspektrenundkontinuierlicheSpektren .............. 
.. KlassischesModell....................................... 
.. OszillatorenstärkenundEinstein-Koeffizienten ............ 
. Übergangswahrscheinlichkeiten ................................. 
.. LebensdauerangeregterZustände......................... 
.. SemiklassischeBehandlung
derÜbergangswahrscheinlichkeit......................... 
. Kohärenz ...................................................... 
.. KohärenzeinesStrahlungsfeldes .......................... 
.. ZeitlicheKohärenz....................................... 
.. RäumlicheKohärenz..................................... 
.. Kohärenzvolumen ....................................... 
.. KohärenzatomarerZustände ............................. 
 LinienbreitenundProfilevonSpektrallinien ......................... 
. NatürlicheLinienbreite ......................................... 
. Doppler-Verbreiterung .......................................... 
. StoßverbreiterungvonSpektrallinien............................. 
. HomogeneundinhomogeneLinienverbreiterung ................. 
. Sättigungsverbreiterung ......................................... 
.. ÄnderungderBesetzungsdichtendurchoptischesPumpen 
.. Sättigungsverbreiterung vonAbsorptionslinien ............ 
. Flugzeit-Linienbreiten........................................... 
. LinienbreiteninFlüssigkeitenundFestkörpern ................... 
X Inhaltsverzeichnis
 ExperimentelleHilfsmitteldesSpektroskopikers ..................... 
. SpektrographenundMonochromatoren.......................... 
.. Grundbegriffe........................................... 
.. Prismenspektrograph .................................... 
.. Gitterspektrograph ...................................... 
. Interferometer.................................................. 
.. Michelson-Interferometer................................ 
.. Vielstrahlinterferenz ..................................... 
.. PlanparallelesFabry-Perot-Interferometer ................. 
.. KonfokalesInterferometer................................ 
.. DielektrischeVielfachschichten........................... 
.. Interferenzfilter.......................................... 
.. DurchstimmbareInterferometer.......................... 
.. Lyot-Filter .............................................. 
. AuflösungsvermögenundLichtstärkevonSpektrometern
undInterferometern ............................................ 
. ModerneMethodenderWellenlängen-Messung .................. 
.. DasMichelson-Lambdameter ............................ 
.. Sigmameter ............................................. 
.. ComputergesteuertesFabry-Perot-Wellenlängenmessgerät .. 
.. Fizeau-Lambdameter .................................... 
. Detektoren..................................................... 
.. ThermischeDetektoren .................................. 
.. Photodioden ............................................ 
.. DiodenanordnungenundCCD-Detektoren ............... 
.. Photomultiplier ......................................... 
.. Photonenzählmethode ................................... 
.. BildverstärkerundoptischeVielkanal-Analysatoren ........ 
 DerLaseralsspektroskopischeLichtquelle ........................... 
. ElementareGrundlagendesLasers............................... 
.. Schwellwertbedingung ................................... 
.. Bilanzgleichungen ....................................... 
. OptischeResonatoren........................................... 
.. OffeneResonatoren...................................... 
.. RäumlicheModenstrukturenimoffenenResonator ........ 
.. BeugungsverlusteoffenerResonatoren .................... 
.. StabileundinstabileResonatoren ......................... 
.. FrequenzspektrumpassiveroptischerResonatoren ......... 
. Laser-Moden................................................... 
.. FrequenzspektrumdesaktivenResonators................. 
.. BeeinflussungderModenfrequenz
durchdasaktiveMedium ................................ 
.. VerstärkungssättigungundModenwechselwirkung......... 
.. DasFrequenzspektrumrealerMehrmoden-Laser .......... 
Inhaltsverzeichnis XI
. ExperimentelleRealisierungvonstabilenEinmoden-Lasern ....... 
.. Linien-Selektion......................................... 
.. Moden-Selektion ........................................ 
.. Intensitätsstabilisierung .................................. 
.. Wellenlängenstabilisierung vonLasern .................... 
.. 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-begrenzteAbsorptions-undFluoreszenz-Spektroskopie
mitLasern .......................................................... 
. VorteiledesLasersfürdieSpektroskopie ......................... 
. EmpfindlicheVerfahrenderAbsorptionsspektroskopie ............ 
.. FrequenzmodulationdesLasers .......................... 
.. AbsorptionsspektroskopiedurchMessungderAbklingzeit
einesoptischenResonators ............................... 
.. AbsorptionsspektroskopieinnerhalbdesLaserresonators ... 
. DirekteMessungderabsorbiertenPhotonen...................... 
.. Anregungsspektroskopie ................................. 
.. PhotoakustischeSpektroskopie ........................... 
.. Ionisationsspektroskopie ................................. 
.. OptogalvanischeSpektroskopie........................... 
.. OptothermischeSpektroskopie ........................... 
. MagnetischeResonanz-undStark-SpektroskopiemitLasern....... 
. Geschwindigkeitsmodulations-Spektroskopie ..................... 
. LaserinduzierteFluoreszenz ..................................... 
. VergleichzwischendenverschiedenenVerfahren ................. 