Höchstempfindliche Absorptionsspektroskopie ist von besonderer Bedeutung für wissenschaftliche Forschung und Technik. In einer Vielzahl von Anwendungsfeldern wie Umweltanalyse, medizinische Diagnostik, Optimierung von Verbrennungsprozessen oder Prozesskontrolle zählen spektroskopische Verfahren zu den wichtigsten grundlegenden Techniken.
Die resonatorinterne Absorptionsspektroskopie (engl. intracavity absorption spectroscopy, ICAS) mit breitbandig emittierenden Lasern ist eine der empfindlichsten Methoden mit mehreren tausend Kilometern effektiver Absorptionsweglänge. Zudem ermöglicht ICAS als einziges empfindliches Verfahren Absorptionsmessungen nichtstationärer Prozesse in unwirtlichen Umgebungen wie Flammen und verunreinigten Proben. Diodengepumpte Faserlaser bieten sich dabei als kompakte, kostengünstige und effiziente Systeme mit zugleich breiten Emissionsspektren für ICAS an.
In der vorliegenden Arbeit wurden Er3+-dotierte Faserlaser für ICAS mit einem Durchstimmbereich von 1.52 µm bis 1.61 µm entwickelt. Mit ihnen wurden Absorptionsspektren verschiedener umweltrelevanter Gase wie CO2, CO, OH, H2O, H2S, C2H2, NH3 und HCN mit hoher Empfindlichkeit aufgenommen. Die kleinste erreichte Nachweisgrenze betrug 10 ppb für C2H2. Erstmals konnten in Verbrennungsprozessen jeweils drei Reaktionsprodukte gleichzeitig in-situ nachgewiesen und ihre Konzentrationen entlang der Flamme verfolgt werden. Durch Vermessung der Stärken verschiedener OH-Absorptionslinien konnte die lokale Temperatur in der Flamme abgeschätzt werden. Weiterhin wurde der in Medizin, Klimaforschung und Geologie relevante selektive Nachweis der Isotope 12CO2 und 13CO2 demonstriert.
Die Empfindlichkeit Er3+-dotierter Faserlaser gegenüber resonatorinterner Absorption konnte im Dauerstrichbetrieb durch Verlängerung der Resonatoren auf etwa 2000 km effektive Absorptionsweglänge gesteigert werden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten des noch empfindlicheren Nachweises von Spurengasen in Atmosphäre, Atemluft und Verbrennungsprozessen. Zudem konnten im Rahmen dieser Arbeit erstmals resonatorintern Absorptionsmessungen im evaneszenten Feld ultradünner verjüngter Glasfasern demonstriert werden. Mit diesem neuartigen Verfahren ist es möglich, kleinste Proben im Femtoliterbereich zu vermessen.
Diese Arbeit zeigt damit grundlegende neuartige Entwicklungen zur höchstempfindlichen Spektroskopie auf, setzt einige besonders bedeutende Ansätze exemplarisch um und weist den Weg in weiterführende zukünftige Studien.
High sensitive absorption spectroscopy is of significant importance for scientific research and technology. Spectroscopic methods are established in a variety of applications such as environmental analysis, medical diagnostics, optimization of combustion processes or process control as examples for important fundamental techniques.
Intracavity absorption spectroscopy (ICAS) with broadband emitting lasers is one of the most sensitive methods with several thousand kilometers of effective absorption pathlength. In addition, ICAS is the only sensitive method for absorption measurements of nonstationary processes in hostile environments such as flames and contaminated samples. Diode pumped fiber lasers offer a compact, cost effective and efficient setup with broadband emission in the near infrared spectral region suitable for ICAS measurements.
In the present work, broadband Er3+-doped fiber lasers with a tuning range between 1.52 µm and 1.61 µm were developed for ICAS measurements. Absorption spectra of different relevant gases for environmental research such as CO2, CO, OH, H2O, H2S, C2H2, NH3 and HCN were recorded with high sensitivity. The lowest achieved detection limit was 10 ppb for C2H2. The first simultaneous in-situ detection of three reaction products in flames was achieved for several combustion processes. The concentrations of these products were measured spatially resolved at different positions along the flame. The local temperature was estimated by measurements of the relative strength of different OH absorption lines. Furthermore selective detection of the isotopes 12CO2 and 13CO2 has been demonstrated, which is of relevance for clinical diagnostics, climatological research and geological investigations. The sensitivity of Er3+-doped fiber lasers to intracavity absorption was increased to 2000 km effective absorption pathlength by extending the cavity length and by operating the laser in the cw regime. This offers new possibilities for even more sensitive detection of trace gases in the atmosphere, human breath and combustion processes.
For the first time, intracavity absorption measurements in the evanescent field of ultrathin tapered fibers could also be demonstrated within this thesis. With this new method measurements of very small samples of the order of femtoliters are possible.
This thesis demonstrates fundamental new developments in high sensitive spectroscopy and implements some of the most relevant approaches. It therefore constitutes a promising basis for further studies.