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Spektroskopie zweiatomiger Moleküle bei Einstrahlung ultrakurzer Laserpulse und ihre Anwendung
(2020)
Durch die Verwendung ultrakurzer Pulse lassen sich selbst bei moderaten Pulsenergien und Durchschnittsleistungen sehr hohe Spitzenleistungen erreichen, deren Wirkung auf Materie sich grundlegend von der anderer Lichtquellen unterscheidet. Die hohe Feldstärke ist hier nicht nur verantwortlich für das vermehrte Auftreten optisch nichtlinearer Effekte wie der Frequenzverdopplung, sondern ist auch hauptverantwortlich für die ”kalte“ Ablation, die zu deutlich kälteren Plasmen führt. Eine Untersuchung dieser beiden Umstände in Hinblick auf eine Vereinfachung der Pulslängenmessung und eine Verbesserung der Molekülbildung in erkaltenden Plasmen ist Thema dieser Arbeit. In diesem Zusammenhang wird gezeigt, dass die Verwendung von Ultrakurzpulslasern bei der Wahl geeigneter Prozessparameter, insbesondere durch gezielte Defokussierung, die Spektroskopie verschiedener emittierender Moleküle wie Aluminiumoxid verbessert, sodass deren Detektion auch ohne die in der Literatur geforderten zeitauflösenden Messinstrumente möglich ist. Darüber hinaus ermöglichen ultrakurze Pulse eine ortsaufgelöste Kristallisation von Zinkoxid auf – mit einfachen Mitteln präparierten – Zinkoberflächen. Die dabei entstandenen Wurtzite richten ihre c-Achse meist annähernd senkrecht zur darunterliegenden Oberfläche aus und können zur Erzeugung von gestreuter Frequenzverdopplung genutzt werden. Hierfür haben sich besonders die in den letzten Jahren entwickelten faserbasierten Femtosekundenlaser mit Pulsenergien im Mikrojoule-Bereich, Pulslängen von wenigen 100fs und äußerst geringem Wartungsaufwand als ein leistungsfähiges Instrument erwiesen. Die hohe Pulsenergie dieser Systeme erlaubt zudem die Verwendung von Frequenzverdopplern mit deutlich geringeren Konversionsezienzen zur Messung der Pulslänge. Trotz uneinheitlicher Kristallachsen hat sich hier das streuend frequenzverdoppelnde Aluminiumnitrid als besonders tauglich für die optische Autokorrelation herausgestellt. Im Vergleich zum üblicherweise verwendeten monokristallinen Beta-Bariumborat, reduzieren die gesinterten Aluminiumnitrid-Keramikplatten den Justageaufwand, vereinfachen durch ihre Robustheit die Handhabung und verringern den Kostenfaktor um zwei bis drei Größenordnungen. Daher eignet sich das hier entwickelte Verfahren auch für die Kontrolle der Pulslänge während des Fertigungsprozesses eines solchen Systems – besonders dann, wenn hohe bzw. für Beta-Bariumborat zu hohe Pulsenergien auftreten können.
Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (”Laser Induced Breakdown Spectroscopy”, im Folgenden auch ”LIBS” genannt) stellt eine schnelle und berührungslose Messmethode zur Elementanalyse von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen unter normalen Umgebungsbedingungen ohne besondere Probenvorbereitung dar. Dazu wird ein gepulster Laser, dessen Intensität einen bestimmten Grenzwert überschreiten muss, auf eine Probe fokussiert. Das dort bestrahlte Material verdampft schlagartig und es bildet sich bei einer Temperatur von rund 10000 K ein Plasma aus. Die angeregten Atome und Ionen im Plasma strahlen bei der Rückkehr in energetisch niedrigere Zustände ein charakteristisches optisches Emissionsspektrum ab, welches über eine schnelle spektroskopische Analyse die Elementzusammensetzung des untersuchten Materials liefert. LIBS bietet in diesem Fall auch die Möglichkeit, ein unkompliziertes und bildgebendes Messverfahren aufzubauen, indem Elementverteilungen auf einer topographischen Oberfläche analysiert werden, um beispielsweise Materialübergänge, Einschlüsse oder Verschmutzungen sicher zu detektieren. Bei unebenen Oberflächen wird eine ständige Anpassung des Laserfokus an die Probenkontur benötigt, da die notwendige Intensität zur Erzeugung des Plasmas nur im Fokus aufgebracht werden kann. Als Grundlage dafür dient ein neu entwickelter Fokussieralgorithmus, der ohne jegliche Zusatzgeräte auskommt, und die Reproduzierbarkeit von LIBS-Messungen deutlich steigern kann, da die Messungen kontrolliert im Fokus stattfinden. Durch ihn ergeben sich neue Möglichkeiten des sogenannten „Element-Mappings", dem Erzeugen von Elementlandkarten, welche die Elementverteilungen in Falschfarben grafisch darstellen. Dabei ist das System nun nicht mehr auf eine ebene Oberfläche angewiesen, sondern kann beliebige Strukturen, auch mit scharfen Kanten und Löchern, sicher vermessen. Als Ergebnis erhält man ein flächiges Höhenprofil, welches zusätzlich die Elementinformationen für jeden Messpunkt beinhaltet. Dies erleichtert es dem Benutzer, gezielt Punkte von Interesse schnell wiederzufinden und zu analysieren. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines bildgebenden Low-Power-LIBSSystems mit niedriger Pulsenergie und hoher Pulsrate, welches sich mit dem dazugehörigen
Fokussieralgorithmus automatisiert an unebene Probenoberflächen anpassen kann. Als Ergebnisse werden die Analysen von ausgewählten metallhaltigen, geologischen, organischen und archäologischen Proben bzw. Fundstücken gezeigt.