Laserspektroskopie: Grundlagen und Techniken PDF
Preview Laserspektroskopie: Grundlagen und Techniken
Demtröder D e m Laserspektroskopie t r ö d e Grundlagen und Techniken r 1 L a s e r s p e k t r o s 5. Auflage k o p i e 1 23 uflage Laserspektroskopie Wolfgang Demtröder Laserspektroskopie Grundlagen und Techniken Fünfte,erweiterteundneubearbeiteteAuflage MitAbbildungen 123 WolfgangDemtröder UniversitätKaiserslautern FachbereichPhysik Erwin-Schrödinger-Straße Kaiserslautern,Deutschland E-Mail:[email protected] [email protected] BibliografischeInformationderDeutschenNationalbibliothek DieDeutscheBibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;detailliertebibliografische DatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. ISBN ---- .Auflage SpringerBerlinHeidelbergNewYork ISBN --- .Auflage SpringerBerlinHeidelbergNewYork DiesesWerkisturheberrechtlichgeschützt.DiedadurchbegründetenRechte,insbesonderediederÜbersetzung,des Nachdrucks,desVortrags,derEntnahmevonAbbildungenundTabellen,derFunksendung,derMikroverfilmungoder derVervielfältigungaufanderenWegenundderSpeicherunginDatenverarbeitungsanlagen,bleiben,auchbeinuraus- zugsweiserVerwertung,vorbehalten.EineVervielfältigungdiesesWerkesodervonTeilendiesesWerkesistauchimEin- zelfallnurindenGrenzendergesetzlichenBestimmungendesUrheberrechtsgesetzesderBundesrepublikDeutschland vom.SeptemberinderjeweilsgeltendenFassungzulässig.Sieistgrundsätzlichvergütungspflichtig.Zuwider- handlungenunterliegendenStrafbestimmungendesUrheberrechtsgesetzes. SpringeristeinUnternehmenvonSpringerScience+BusinessMedia springer.de ©Springer-VerlagBerlinHeidelberg,,,, DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkberechtigtauchohne besondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinnederWarenzeichen-undMarkenschutz- Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermannbenutztwerdendürften. SatzundHerstellung:LE-TEXJelonek,Schmidt&VöcklerGbR,Leipzig Einbandgestaltung:WMXDesignGmbH,Heidelberg GedrucktaufsäurefreiemPapier SPIN //YL– Vorwortzur . Auflage DieLaserspektroskopieistauchfastJahrenachRealisierungdeserstenLasersein 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.deutschenAuflagediesesBuchesimJahrehatsich 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- serspektroskopiehatdenVerfasserwährendderJahre,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 .................
The list of books you might like
