OPUS - an der Hochschule Offenburg

Weiterentwicklung
des Raman-Spektrometers
Seit einiger Zeit wird im Labor Optoelektronik
der Fakultät E+I ein Fouriertransformations-Raman-Spektrometer
entwickelt. Diese Messsystem wurde
ständig weiterentwickelt und hat hervorragende
Ergebnisse gezeigt. Optimierungen
an den drei Hauptkomponenten
Optik, Hardware und Software
ermöglichen es nun, geringste Intensitäten
(einige Photonen pro Sekunde) zu
detektieren. Abbildung 1 zeigt den schematischen
Aufbau des Systems.
Das Grundprinzip
Bei der Raman-Spektroskopie wird die
zu untersuchende Probe mit monochromatischem
Licht, üblicherweise aus
einem Gas- oder Halbleiterlaser, angeregt.
Dabei entsteht Rayleigh-Streuung
mit der gleichen Wellenlänge des anregenden
Lasers und Raman-Streuung
unterschiedlicher Wellenlänge. Elastisch
(Rayleigh-Streuung) und unelastisch
(Raman-Streuung) streuendes
Licht wird in einen Analysator (Michelson
Interferometer) eingekoppelt. Nach
dem Analysator wird die Rayleith-Streuung
mit einem Notch-Filter geblockt
und die verbleibenden Photonen der
Raman-Streuung mit einer Lawinenfotodiode
gezählt. Durch Auswertung der
Interferenz kann man mit hoher Genauigkeit
auf das entsprechende Spektrum
schließen. Durch minimale Anpassungen
können auch Spektren von anderen
optischen Komponenten wie Notchfilter,
Linienfilter und Lichtquellen ausgewertet
werden.
Durchgeführte Experimente
Der optische Aufbau wurde so justiert,
dass Streulicht und Reflektionen der
optischen Elemente nicht in den Analysator
gelangen und somit das Messergebniss
verfälschen. Da die Rayleigh-
Streuung um den Faktor 10 3 bis 10 8 stärker
ist als die Raman-Streuung, spielt
die Qualität und Auswahl der verschiedenen
Filter eine entscheidende Rolle.
Aus diesem Grund wurden unterschiedliche
Kerb- und Linienfilter vermessen
und die Besten für die Anwendung ausgewählt.
Zur Auswertung und Aufbereitung
der aufgezeichneten Interferenz
wurden unterschiedliche digitale Algorithmen
verwendet wie z. B. Rauschunterdrückung
durch Wavelettransformation,
Interpolation und Phasenkorrektur/Resampling
der optischen Weglänge
mithilfe der Hilberttransformation,
Dezimierungsalgorithmen, Hauptkomponentenanalyse,Polynom-Basislinienkorrektur
usw.
Um die Effizienz des Photonenzählers
zu steigern, werden derzeit weitere
Anpassungen vorgenommen und durch
Experimente bestätigt. So ist z. B. angedacht,
die Spannung an der Lawinenfotodiode
über die Temperatur zu steuern
und die Kühlung zu verstärken, um
- 60 ° C zu erreichen.
Ergebnisse und Anwendungen
Nach einigen Experimenten wurden
wichtige Ergebnisse erzielt. Das charakteristische
Raman-Spektrum von
verschiedenen Substanzen wurde mit
hoher Auflösung und Genauigkeit
beobachtet und ausgewertet. Abbildung
2 zeigt das Raman-Spektrum
von Cyclohexan. Der mit dem Michelsoninterferometer
durchfahrene optische
Pfad beträgt ca. 6 mm und entspricht
einer Auflösung von 1.66cm-1.
Abbildung 2: Gerechnetes Raman-Spektrum von Cyclohexan 1
ELEKTROTECHNIK UND INFORMATIONSTECHNIK
Die Bandbreite engster Spektrallinien
der meisten festen und flüssigen Stoffe
liegen im Bereich von 3 cm-1 bis 10
cm-1. Die spektrale Eigenschaften von
Lichtquellen und optischen Filtern wurden
mit diesem Aufbau festgestellt.
Raman-Spektralanalyse wird in verschiedene
Gebiete eingesetzt: Chemie,
Medizin, Biologie, Analyse von Kunstwerken,
Detektion von Drogen usw.
Das vorgestellte Raman-Messsystem
bietet eine große Flexibilität und könnte
in Bereichen wie chemische Analysen
(Überwachung von industriellem
Giftmüll) und Medizintechnik verwendet
werden.
PROF. DR. WERNER SCHRÖDER UND
VALENTIN ORTEGA CLAVERO, M.SC.
Abbildung 1: Diagramm des Gesamtsystems
campus I Das Magazin der Hochschule Offenburg I Winter 2010/11
55