Techniklexikon

Modulationsspektroskopie

Atom- und Molekülphysik, spezielle Methode der Laserspektroskopie mit einem frequenzmodulierten Laserstrahl zur Erzeugung eines abgeleiteten Spektroskopiesignals. Der prinzipielle Aufbau ist schematisch am Beispiel einer Absorptionsmessung in Abb. 1 dargestellt. Ein Laser wird in seiner Frequenz moduliert. Dies kann entweder extern durch einen elektrooptischen Modulator oder durch direkte Modulation eines Laserparameters geschehen, wie z.B. des Injektionsstroms bei Halbleiterlasern (Laser). Dieser frequenzmodulierte Laserstrahl passiert eine Absorptionszelle mit der interessierenden Substanz. Die transmittierte Intensität wird mit einer Photodiode gemessen. In der Regel wird nur der modulierte Anteil des Photostroms weiterverarbeitet. Dieser Anteil wird verstärkt und anschliessend mit dem Modulationssignal auf einem Hochfrequenzmischer gemischt. Das direkte Modulationssignal wird auch als Lokaloszillator bezeichnet. Bei entsprechender Wahl der relativen Phasenlage erhält man am Ausgang des Mischers ein abgeleitetes Absorptionssignal.

Abb. 2 zeigt ein mit dieser Methode gewonnenes Hyperfeinstruktur-Spektrum des Übergangs ⁵S_1/2, F = 2 nach ⁵P_3/2 von ⁸⁷Rb. Das Spektrum wurde mit der Methode der dopplerfreien Sättigungsspektroskopie an einer Rb-Dampfzelle gewonnen. Der obere Teil der Abbildung zeigt das direkt gemessene Absorptionssignal, der untere Teil das mit der Modulationsspektroskopie erzeugte Signal. Zu erkennen sind in beiden Fällen die Übergänge ⁵S_1/2, F = 2 nach ⁵P_3/2, F = 1,2,3 (Linien A,B,C) und die zugehörigen Crossover-Resonanzen (Linien a,b,c). Man erkennt, dass aus dem Lamb-Dip (Lamb-Dip-Spektroskopie) im oberen Spektrum eine steile Flanke geworden ist. Diese Methode ist z.B. für die Stabilisierung der Frequenz eines Lasers auf eine atomare Übergangsfrequenz interessant, da das Absorptionssignal direkt Aufschluss über die Richtung der Frequenzabweichungen vom Sollwert gibt. Ausserdem erkennt man an dem Beispiel in Abb. 2 die hohe Sensitivität der Modulationsspektroskopie.

Modulationsspektroskopie 1: Prinzipielle Anordnung der Modulationsspektroskopie

Modulationsspektroskopie 2: Absorptionsspektrum von Rb; a) gemessen mit der dopplerfreien Sättigungsspektroskopie, b) mit der Modulationsspektroskopie. Die Buchstaben kennzeichnen die einzelnen Hyperfeinstrukturübergänge. (Messung: S. Wolf, H. Helm, Univ. Freiburg)