Techniklexikon

Laserspektroskopie

derjenige Bereich der Spektroskopie, in der Laser zur Untersuchung atomarer, molekularer und inzwischen auch nuklearer Zustände eingesetzt werden (Atomspektroskopie, Molekülspektroskopie). Die Laserspektroskopie kommt in zahlreichen wissenschaftlichen Anwendungen zum Einsatz, angefangen bei der Atmosphärenphysik, z.B. zur hochselektiven und hochempfindlichen Analyse chemischer und radioaktiver Schadstoffe (LIDAR), über Doppelresonanzverfahren, Laserkühlung, Laserspektroskopie am kollimierten Atomstrahl, Doppler-freie Zwei-Photonen-Spektroskopie und zeitaufgelöste Spektroskopie mit Laserpulsen im Femtosekundenbereich bis hin zur Chemie (Stoffanalyse), Biologie (optische Pinzette) und Lasermedizin. Das Grundprinzip jeder laserspektroskopischen Methode ist die Einstrahlung elektromagnetischer Wellen in Form eines Laserstrahls in ein zu untersuchendes Medium und der Nachweis der zwischen der Welle und den Teilchen im Medium stattfindenden Wechselwirkung. Ausschlaggebend für den erfolgreichen Einsatz des Lasers in der Spektroskopie ist seine Fähigkeit, kohärente, hochintensive und (oft durchstimmbare) monochromatische elektromagnetische Strahlung mit schmaler Bandbreite im gesamten Spektralbereich zwischen einem Millimeter und inzwischen wenigen Nanometern Wellenlänge, z.T. auch in kürzesten Pulsen, abzugeben.

Die spektrale Auflösung wird primär durch die relative Frequenzbreite der emittierten Laserstrahlung bestimmt. Die höchsten spektralen Auflösungen werden heute vor allem für die Realisierung von Frequenznormalen angestrebt: Linienbreiten unter 1 Hz mit entsprechenden spektralen Reinheiten von Dn / n » 10^-15. Die Nachweisemfindlichkeit eines Systems beschreibt, welcher Anteil der möglichen Ereignisse mit der experimentellen Anordnung auch tatsächlich induziert und nachgewiesen wird. Um etwa einen Stoff mit einer Konzentration von einem ppb (10^-9) in einer Probe von einem Mikrogramm (ca. 10¹⁴ bis 10¹⁶ Teilchen) eindeutig nachzuweisen - also 10⁵ bis 10⁷ mögliche Ereignisse -, ist selbst ohne Störsignale eine Effizienz von mindestens 10^-5 notwendig.

Die verschiedenen Arten der Laserspektroskopie kann man grob nach den drei Aspekten der Probe, der Anregungs- und der Nachweismethode unterscheiden. Die Probe kann entweder in einer optischen Zelle (Laserspektroskopie in der optischen Zelle) eingeschlossen sein, als freies Gas oder als Atom-, Ionen- oder Molekülstrahl vorliegen (Laserspektroskopie am kollimierten Atomstrahl und Laserspektroskopie am Ionenstrahl). Die Anregung von Übergängen zwischen unterschiedlichen Zuständen im System eines Teilchens, also die Wechselwirkung mit einem oder mehreren Photonen, geschieht meist durch Absorption, so dass das Teilchen in einen Zustand übergeht, dessen Energie um den Betrag der Photonenergie hn erhöht ist (Absorption). Bei der Raman-Spektroskopie kommt es stattdessen zu einer inelastischen Streuung des Photons, bei der der Energieübertrag auch wesentlich geringer als die Photonenenergie sein kann und das Teilchen sowohl Energie aufnehmen wie auch abgeben kann. Ausserdem unterscheidet man zwischen resonanter Anregung, bei der nur ein ganz bestimmter Übergang angeregt wird und die den grossen Vorteil der Laserspektroskopie darstellt, und nicht-resonanter Anregung. Je nach Anzahl der beim Anregungsprozess beteiligten Photonen spricht man zudem von Eins-, Zwei- und Mehr-Photonen-Anregungen. Da jeder resonante Anregungsschritt eine Erhöhung der Selektivität des Anregungsprozesses bedeutet, wird für die ultra-selektive analytische Spektroskopie oft die Mehr-Photonen-Spektroskopie mit drei und mehr resonanten Anregungsschritten verwendet. Bei der Absorption von zwei oder mehr Photonen bietet sich auch die Möglichkeit der Dopplerfreien Spektroskopie (Doppler-freie Zwei-Photonen-Spektroskopie) an. Bei der Anregung mit Pulslasern können durch die zeitaufgelöste Spektroskopie nicht nur statische, sondern auch dynamische Prozesse untersucht werden.

Bezüglich des Nachweises unterscheidet man zwischen Absorptionsspektroskopie, Emissionsspektroskopie und Ionisationsspektroskopie. Weitere Nachweismethoden, die insbesondere bei der Untersuchung von Rotations- und Vibrationszuständen von Molekülen verwendet werden, umfassen die photoakustische, die optogalvanische und die optothermische Spektroskopie. Daneben existieren zahlreiche weitere hochspezialisierte Techniken und Kombinationen mit anderen Spektroskopiemethoden, z.B. der Massenspektroskopie (Resonanzionisationsmassenspektroskopie).