Dokument: Einsatz eines Quantenkaskadenlasers zum hochempfindlichen Spurengasnachweis mittels IR-Laserspektroskopie

Titel:	Einsatz eines Quantenkaskadenlasers zum hochempfindlichen Spurengasnachweis mittels IR-Laserspektroskopie
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=2266
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20030206-000266-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Ganser, Heiko [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,57 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Hering, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Kleinermanns, Karl [Gutachter]
Stichwörter:	Quantenkaskadenlaser, QCL,Spurengasnachweis, Stickstoffmonoxid, NO, Laserspektroskopie, Infrarot,Faraday, RotationQuantum Cascade Laser, QCL, Tracegas Analysis, NitrogenOxide, NO, Infrared, Laser Spectroscopy
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibung:	Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiger 5,2 µm Quantenkaskadenlaser (QCL) hinsichtlich seiner Eigenschaften untersucht und mit verschiedenen Spektroskopiemethoden erfolgreich eingesetzt. Das Ziel war es, Stickstoffmonoxid (NO) in der Gasphase im ppb-Bereich (parts per billion = 1:10^9) nachzuweisen. Diese Zielsetzung erfolgte im Hinblick auf aktuelle medizinische, biologische und pharmazeutische Fragestellungen, die die Bedeutung des NO für den menschlichen Körper untersuchen. Es wurde ein stickstoffgekühlter DFB-QCL im cw-Betrieb genutzt und charakterisiert. Seine spektrale Breite wurde in einem Heterodynexperiment bestimmt [Gan01] und festgestellt, dass der limitierende Faktor das Stromrauschen der Stromquelle war. Da kommerziell erhältliche Stromquellen nicht den Anforderungen des QCL genügten, wurde eine neue Stromquelle aufgebaut, mit der eine Linienbreite des freilaufenden QCL von 1 MHz erreicht wurde. Damit ist der QCL in diesem Aufbau für die hochauflösende Spektroskopie sehr gut geeignet. Der QCL wurde zum ersten Mal in Verbindung mit der Faraday-Rotationsspektroskopie (FRS) zum höchstempfindlichen Spurengasnachweis von NO eingesetzt. Das Spektrometer wurde im Rahmen dieser Arbeit neu konzipiert und aufgebaut. Die FRS ist eine radikalspezifische Nachweismethode, die auf der Faradaydrehung von linear polarisiertem Licht beruht und den querempfindlichkeitsfreien Nachweis von NO ermöglicht. Wir erreichen eine Zeitauflösung von 300 ms bei einer Nachweisgrenze von 25 ppb NO in Luft. Diese Zeitauflösung wird für atemzugsaufgelöste Messung der menschlichen Exhalation benötigt. Die erzielte Empfindlichkeit ist für den Nachweis von NO aus biologischen Quellen ausreichend. So wurde mit dem FR-Spektrometer die NO-Freisetzung aus einer Nitritlösung (in Kooperation mit dem Immunbiologischen Institut der Universität Düsseldorf) unter UV-Bestrahlung nachgewiesen [SUS03]. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein weiteres Spektrometer mit dem QCL aufgebaut, welches sich im Gegensatz zur FRS auch zum Nachweis von nichtradikalen Spezies eignet. Die verwendete Methode der Cavity-Leak-Out-Spektroskopie (CALOS) erzielt durch einen optischen Resonator hoher Güte eine große effektive optische Weglänge bei einem kompakten Aufbau. Hier wurde erstmals eine sogenannte Bow-Tie-Cavity in Verbindung mit einem QCL eingesetzt, um optische Rückkopplung der Cavity-Spiegel in den Laser zu vermeiden. Durch diese Zelle wird der effektive Absorptionsweg von 25 cm auf 1,8 km erhöht. Zum Vergleich: Multipasszellen erreichen typischerweise eine Verlängerung von 50 cm auf 50 m. Mit diesem Aufbau ist es auf Anhieb gelungen, das Spurengas NO mit einer Empfindlichkeit von 4 ppb NO bei einer Zeitauflösung von 10 s zu detektieren. Des Weiteren wurde eine Simulation zur Beschreibung der FR-Signale implementiert [Gan03]. Deren Ergebnisse erlaubten unter anderem die Vorhersage der Signalstärken für Frequenzen, die mit dem vorhandenen QCL nicht erreichbar waren. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde der Frequenzbereich für einen neuen QCL festgelegt, der für den simultanen Nachweis der Isotopomere 14NO und 15NO am besten geeignet ist. Mit diesem neuen QCL eröffnen sich ganz neue Anwendungen für die FRS (Die im Rahmen dieser Arbeit aufgebauten Experimente werden im Rahmen einer weiteren Promotion fortgeführt.). So wird es möglich sein, körpereigenes von -fremden NO zu unterscheiden. Außerdem wird der neue QCL nur noch eine Peltierkühlung benötigen, was ein weiterer Schritt in Richtung Transportabilität des Spektrometers ist.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	06.02.2003
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	06.02.2003
Datum der Promotion:	06.02.2003