Breitbandspektroskopie mit Superkontinuum-Quellen

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Kurzzusammenfassung

Die Entwicklung robuster Faserlaser mit Pulslängen im Bereich von Pikosekunden (ps) und die Verfügbarkeit photonischer Kristallfasern haben dazu geführt, dass seit einigen Jahren Superkontinuum-Quellen mit mehreren Watt Ausgangsleistung bei einer spektralen Breite von mehr als zwei Oktaven am Markt verfügbar sind. Deren hervorragende Strahlqualität ermöglicht lange Wechselwirkungsstrecken mit dem Analyten, wobei die hohe spektrale Bandbreite eine große Zahl von Spezies zugänglich macht. Da diese Quellen auch ohne Nutzereingriff zuverlässig arbeiten, sind sie gut zum Einbau in analytische Geräte geeignet.

Das Ziel dieser Arbeit, Breitbandspektroskopie mit Superkontinuum-Quellen, ist es, die charakteristischen Eigenschaften von ps-gepumpten Superkontinuumquellen darzustellen und Messmethoden zu entwickeln, die von den Stärken dieses Lichtquellentyps profitieren, ohne unter ihren Nachteilen zu leiden.

Die spektrale Charakterisierung dieser Lichtquellen stellt wegen der großen Breite des emittierten Spektrums eine Herausforderung dar. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, ist die Nutzung mehrerer kalibrierter Spektrometer und einer gegenüber Strahldivergenz toleranten Einkopplung nötig, um quantitative Aussagen über die spektrale Verteilung treffen zu können.

Die Analyse des Rauschverhaltens zeigt, dass ps-gepumpte Superkontinuum-Quellen aufgrund ihrer geringen zeitlichen Kohärenz und der daraus resultierenden Schwankungen der spektralen Intensitätsverteilung zur schmalbandigen Gasspektroskopie nur schlecht geeignet sind. Mit zunehmender Breite der betrachteten Spektralbereiche nehmen die relativen Intensitätsschwankungen jedoch ab. Dies macht Superkontinuum-Quellen zu einem geeigneten Werkzeug zur Untersuchung von spektral breiten Absorptionen, wie sie zum Beispiel in Flüssigkeiten und Festkörpern vorkommen.

Das erste im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Spektroskopieverfahren nutzt ein aktives akustooptisches Element zur Kopplung von Licht an einen optischen Resonator. Durch die aktive Schaltung der Beugungseffizienz dieses Elements ist es möglich, sogar zeitlich inkohärentes Licht von ps-gepumpten Superkontinuum-Quellen effizient in einen Resonator hoher Güte ein- und auszukoppeln. Durch aufeinander folgende Lade-, Abkling- und Entladephasen kann die Abklingzeit des Lichtfeldes und damit der Absorptionskoeffizient der im Resonator vorhandenen Analyten bestimmt werden. Es werden Messungen vorgestellt, die einen Spektralbereich von mehr als 100nm Breite um 760nm abdecken.

Das Verfahren zeichnet sich außerdem dadurch aus, dass der Dynamikbereich der Messungen nicht, wie bei der verwandten Methode der Cavity-Ring-Down-Spektroskopie, zu starken Absorptionen hin von der Reflektivität der Spiegel begrenzt wird, sondern von der Beugungseffizienz des akustooptischen Elements. In dieser Arbeit werden Messungen vorgestellt, bei denen die Absorption pro Umlauf über einen Bereich von vier Größenordnungen, bis zu maximal 7,5%, vermessen wird.

Diese Messmethode kann auch mit anderen Lichtquellen niedriger zeitlicher Kohärenz, wie zum Beispiel Superlumineszenz-Dioden, implementiert werden. Unter Verwendung einer solchen Lichtquelle konnte eine rauschäquivalente Absorption von 1,8 • 10−8 cm−1 pro Spektralkanal erreicht werden.

Die zweite im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Messmethode macht sich die hohe Strahlqualität der Superkontinuum-Quellen zunutze und ermöglicht die Verwendung des gesamten emittierten Spektrums. Ein spezielles Modulationsrad erzeugt eine kontinuierliche, wellenlängenabhängige Modulation des räumlich dispergierten Lichtstrahls. Nach Rekollimierung des Strahls kann dieser dann zur photoakustischen, photothermischen oder Photostrom-Spektroskopie eingesetzt werden, bei der das eingestrahlte Licht ein „farbloses“ Signal erzeugt. Eine Frequenzanalyse des Messignals liefert die Stärke der Absorption im Medium bei den entsprechenden Wellenlängen.

Mit dieser Methode ist es möglich, sowohl breitbandig als auch mit hoher Ortsauflösung die spektralen Absorptionseigenschaften einer Probe zu vermessen. Die Leistungsfähigkeit dieses Verfahrens wird anhand von photoakustischen und photoelektrischen Messungen demonstriert. Es erlaubt insbesondere die Analyse der Photoleitungseigenschaften von niedertemperaturgewachsenem Galliumarsenid im Bereich unterhalb der Bandlückenenergie. Dies ist von besonderem Interesse für die Entwicklung von effizienten photoleitenden Schaltern zur Erzeugung von THz-Wellen.

Die Kombination aus hervorragender Strahlqualität und spektraler Breite ermöglicht die Charakterisierung der THz-Komponenten zwischen 700nm und 1700nm bei einer Ortsauflösung von 10 μm und einem Dynamikumfang von mehr als 80 dB. Dies erlaubt die gleichzeitige Analyse der Ein- und Zwei-Photonen-Absorptionsprozesse im Material sowie die Erstellung von Photoleitungskarten im Maßstab der Metallstukturen des Bauelements.

Abstract

The development of robust fiber lasers with picosecond pulse lengths and photonic crystal fibers enabled the commercial production of supercontinuum sources during the last decade. Today, several companies offer supercontinuum sources delivering several watts of output power and having spectra spanning more than two octaves. The interaction path between light and analyte can be very long due to the diffraction limited beam quality. The wide spectrum gives access to a big number of species. Paired with almost maintenance free operation and turn-key behavior those light sources are well suited to be installed in analytical instruments.

The aim of this work, broadband spectroscopy using supercontinuum sources, is to point out the characteristic properties of picosecond pumped supercontinuum sources and to provide measurement techniques, which benefit of the properties of those sources without suffering of their drawbacks.

The spectral characterization of this kind of light source is challenging due to the very broad spectrum. As it is shown in this work, it is necessary to use more than one calibrated spectrometer and divergence tolerant sampling optics to quantitatively characterize the whole emission spectrum.

The analysis of the noise behavior implies that picosecond pumped supercontinuum sources are not well suited for narrow band gas spectroscopy due to low temporal coherence and the corresponding spectral intensity noise. However, this intensity noise decreases with increasing width of the measured spectral window. Therefore, supercontinuum sources are an appropriate tool for the detection of broad absorption features which are mostly present in liquids or solids.

The first spectroscopic method developed during this work, makes use of an active acoustooptical element to couple light to an optical resonator. By actively switching the coupling efficiency of this element, even temporally incoherent light from a picosecond pumped supercontinuum source can be efficiently coupled into and out of a resonator having a high quality factor. By subsequent load-, decay-, and readout-phases it is possible to measure the decay time constant of the light field inside the resonator. Consequently, the absorption coefficient of the analyte present inside the resonator can be determined. Measurements covering a spectrum of more than 100nm around 760nm are presented.

One important feature of this method is the high dynamic range compared to the related cavity ring-down spectroscopy (CRDS). While in CRDS the loss of the cavity mirrors determines the upper boundary of measurable loss in the resonator, here the diffraction efficiency of the acousto-optical element is the limiting factor. Measurements that differ by four orders of magnitude in the loss due to the sample, including losses of up to 7.5%, are presented.

The method also works well with other light sources of low temporal coherence as superluminescent diodes. Measurements, performed with this kind of light source, showing a noise equivalent absorption of 1.8×10−8 cm−1 per spectral channel demonstrate the power of this technique.

A second method developed during this work makes use of the excellent beam quality of picosecond pumped supercontinuum sources and offers the potential to take advantage of the whole emitted spectrum. A special mechanical chopper design permits a continuous wavelength-dependent modulation of the spatially dispersed light. After recombination of all spectral components, the light beam can be used for photo-acoustic, -thermal, or -current spectroscopy, which all give a “colorless” measurement signal. A frequency analysis of the signal reveals the amount of absorption in the medium at the corresponding wavelengths.

Using this method it is possible to measure the spectral absorption of a given sample with both, broad spectral range and high spatial resolution, which is demonstrated on photoacoustic and photo-current measurements. In particular, the photo-conductive properties of gallium arsenide at photon energies well below the band-gap are investigated. This is of major interest for the development of photoconductive switches for the generation of THz-waves using lasers at telecom wavelengths. Due to the combination of superior beam quality and spectral range it is possible to characterize THz components between 700nm and 1700nm with a spatial resolution of 10 μm and a dynamic range of more than 80 dB. This covers both, the one- and two-photon absorption energies, and allows to create photoresistivity maps on the scale of the metal structures of typical photo-conductive antennas.