"Resonatorinterne Absorptionsspektroskopie mit Faserlasern in wasserfreien NIR-Spektralbereichen"

"Intracavity absorption spectroscopy with fiber lasers in water free NIR spectral regions"

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene kompakte, Dioden-gepumpte Faserlaser in nahezu wasserfreien NIR Spektralbereichen aufgebaut, charakterisiert und für ICAS-Experimente (IntraCavity Absorption Spectroscopy) eingesetzt worden. Erstmals wurde dabei ein breitbandiger Nd:ZBLAN Faserlaser um 1,34 µm aufgebaut. Die spektrale Empfindlichkeit im ersten Relaxationspuls lag bei L_eff = 1,5 km und stieg im CW-Betrieb bis auf L_eff,max ≈ 15 km. Damit konnten Detektionsgrenzen für H₂O und CH₄ von p_H2O = 10 ppm und p_CH4 = 1 ppm erreicht werden. Eine numerische Simulation der Empfindlichkeits-Entwicklung hat gezeigt, dass die in den ersten Relaxationspulsen beobachtete Abweichung des Empfindlichkeitswachstums von der erwarteten Geraden L_eff = c·t durch Relaxationsoszillationen hervorgerufen wird. Mit einem aufgebauten breitbandigen Er-Faserlaser um 1,55 µm wurde mit ICAS erstmals eine Atemgasanalyse durchgeführt. Die Empfindlichkeit lag dabei um L_eff = 4 km. Anhand einer simultanen in-situ Aufnahme und anschließender Analyse von zwölf CO₂-Linien, vor und nach dem Rauchen einer Zigarette, wurde gezeigt, dass die CO₂-Konzentration nach dem Rauchen abnimmt, was mit der Verlangsamung des Stoffwechsels zusammenhängt. Außerdem wurde erstmals ein breitbandiger unidirektionaler Ring-Laser um 1,5 µm realisiert. Die damit erreichte Detektionsgrenze für das CO lag bei p_CO = 10 ppm. Mit einem weiteren Er-Faserlaser um 1,55 µm wurden mit ICAS erstmals einzelne transiente Prozesse mit einer Zeitauflösung von t_res = 25 µs untersucht. Im Xenon-Plasma wurde damit erstmals (nach bestem Wissen des Autors) bei ca. 1542 nm eine Verstärkung der Laserstrahlung um bis zu einem Faktor 100 beobachtet. Einer durchgeführten Abschätzung zufolge, ließe sich so ein entsprechender Xe-Laser aufbauen. Erstmals wurde auch ein breitbandiger Tm/Ho-codotierter Silikatglas-Faserlaser um 2 µm aufgebaut und für ICAS charakterisiert. Die maximale Empfindlichkeit lag dabei um L_eff = 20 km. Die demonstrierten Nachweisgrenzen für H₂O, CO₂ und NH₃ von p_H2O = 5 ppb, p_CO2 = 50 ppb und p_NH3 = 10 ppb ermöglichen überaus empfindliche spektroskopische Untersuchungen dieser Gase bei verschiedensten Anwendungen. Direkte Untersuchungen im menschlichen Atem zeigten, dass mit dem Tm/Ho-ICAS-System die gleichzeitige Detektion von bis zu vier verschiedenen Isotopen des CO₂, nämlich von ¹²CO₂, ¹³CO₂, ¹⁶O¹²C¹⁸O und ¹⁶O¹²C¹⁷O, und von H₂O möglich ist. Analoge Messungen können selbstverständlich nicht nur im Atem, sondern auch in vielen anderen Gasgemischen durchgeführt werden.

Titel

Kurzfassung

Summary

In this work, different compact, diode-pumped and broadband fiber lasers have been realized, characterized and applied for ICAS-measurements (IntraCavity Absorption Spectroscopy) in almost water-free NIR spectral ranges. For the first time a broadband Nd:ZBLAN fiber laser emitting around 1.34 µm was constructed. The spectral sensitivity in the first relaxation pulse amounted L_eff = 1.5 km and rose in CW operation to a value of L_eff,max ≈ 15 km. With this sensitivity, detection limits of p_H2O = 10 ppm and p_CH4 = 1 ppm for H₂O and CH₄ were achieved. A numerical simulation of the sensitivity development revealed, that the observed deviation of the sensitivity growth from the expected linear behaviour, L_eff = c·t, in the first relaxation pulses, originated from strong relaxation oscillations. With a broadband Er-doped silica fiber laser, emitting around 1.55 µm, breath analysis was carried out for the first time with ICAS. The sensitivity was L_eff = 4 km in these experiments. By the simultaneous in-situ measurements and following evaluation of twelve CO₂ absorption lines, before and after smoking a cigarette, it was demonstrated, that the CO₂ concentration reduces after smoking. This can be attributed to a slowed metabolism. Besides these results, a unidirectional broadband fiber ring laser around 1.55 µm was constructed. With this setup a detection limit for CO of p_CO = 10 ppm was achieved. With another Er-doped fiber laser around 1.55 µm, time resolved measurements of single transient processes were performed with ICAS for the first time. The time resolution in these experiments was up to t_res = 25 µs. In a Xenon discharge, a gain of the laser radiation around 1542 nm, by a factor of 100, has been observed for the first time (to the best knowledge of the author). It can be concluded, that a construction of a Xe-laser at this wavelength is possible. Also for the first time a broadband Tm/Ho-codoped silica fiber laser emitting around 2 µm was constructed, characterized and applied for different ICAS-measurements. The maximum sensitivity of this system was around L_eff = 20 km. With this sensitivity, detection limits for H₂O, CO₂ and NH₃ of about p_H2O = 5 ppb, p_CO2 = 50 ppb and p_NH3 = 10 ppb were demonstrated, which enables extremely sensitive measurements of these gases in different application fields. Direct measurements in human breath showed, that with the Tm/Ho-ICAS system it is possible to detect simultaneously up to four different isotopes of CO₂, namely ¹²CO₂, ¹³CO₂, ¹⁶O¹²C¹⁸O und ¹⁶O¹²C¹⁷O, and additionally H₂O. Such measurements can be carried out not only in breath, but also in other gas mixtures.