Techniklexikon

Sättigungsspektroskopie

Laserphysik und -technik, eine Form der Laserspektroskopie, bei der die auflösungsbegrenzende Doppler-Verbreiterung durch selektive Sättigung, d.h. durch Erzeugung eines Lamb-Dips (Bennet-Loch, Lamb-Dip-Spektroskopie), kompensiert wird. Die erreichbare spektrale Auflösung wird durch die Breite der Lamb-Dips bestimmt.

Die Abbildung zeigt schematisch eine mögliche Anordnung zur Sättigungsspektroskopie mit Absorptionsnachweis. Hierbei wird ein durchstimmbarer Laserstrahl am Strahlteiler (ST) in einen intensiven Sättigungsstrahl (Pumpstrahl) und einen schwachen Abfragestrahl aufgeteilt, die fast antikollinear die Absorptionszelle durchlaufen. Die relative Absorption im Abfragestrahl wird mit einem Photodetektor anhand der Intensitätsänderung nachgewiesen. Die zu untersuchenden Teilchen werden durch den Laserstrahl vom Grundzustand |añ in zwei energetisch dicht beieinander liegende Niveaus |bñ und |cñ angeregt. Das resultierende Absorptionsspektrum ist in (a) als durchgezogene Linie gezeigt: Es entspricht der Summe der beiden dopplerverbreiterten Einzelprofile (gepunktete Linien) der Übergänge |añ  |bñ und |añ  |cñ. Ohne Sättigung des zu untersuchenden Teilchenensembles - also ohne die Lamb-Dips, wie z.B. in der einfachen Absorptionsspektroskopie - wären die Übergänge im Absorptionsprofil nicht aufzulösen und die Frequenzen n_ab und n_ac nicht zu ermitteln. Durch den Einsatz eines Lock-In-Verstärkers kann man bei periodisch unterbrochenem Pumpstrahl die Differenz zwischen gesättigter und ungesättigter Absorption ermitteln, wie in (b) gezeigt, auf diese Weise die Dopplerverbreiterung ausschalten und die spektrale Auflösung weiter erhöhen.

Die Sättigungsspektroskopie wird oft auch am Teilchenstrahl statt in der Zelle durchgeführt. Als Alternative zum Absorptionsnachweis wird besonders bei kleinen Teilchendichten und entsprechend geringen Absorptionen auch der Fluoreszenznachweis (Emissionsspektroskopie) eingesetzt. Für besonders hohe Auflösungen oder geringe Teilchendichten wird haufig auch eine Form der intra-cavity-Absorptionsspektroskopie verwendet. Wird die absorbierende Probe in den Laserresonator eingesetzt, dann erhält man anstelle des Lamb-Dips ein Maximum in der Ausgangsleistung des Lasers, weil die Absorption (und damit die Resonatorverluste) für diese Frequenz minimal ist.

Sättigungsspektroskopie: Schematischer Aufbau der Sättigungsspektroskopie mit Absorptionsnachweis und resultierende Spektren. Ein durchstimmbarer Laserstrahl wird am Strahlteiler (ST) in einen intensiven Sättigungsstrahl und einen schwachen Abfragestrahl aufgeteilt, die fast antikollinear die Absorptionszelle durchlaufen. Die Absorption des Abfragestrahls besitzt Minima bei Übergangsfrequenzen n_ab und n_ac und wird durch einen Photodetektor nachgewiesen (durchgezogene Linie in (a)). Mit einem Lock-In-Verstärker kann man diese Lamb-Dips im Absorptionsspektrum isolieren (b) und die Dopplerverbreiterung ausschalten.