Medizinische Physik 3: Medizinische Laserphysik [2004]

6 Lineare Laserspektroskopiemethoden
T. Dreier
6.1 Lineare Laserspektroskopiemethoden
6.1.1 Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF)
Die laserinduzierte Fluoreszenz stellt eine der empfindlichsten rein optischen
laserspektroskopischen Verfahren für die Untersuchung einer großen Zahl von
Atomen und Molekülen dar [5]. Die Methode ist besonders zum Nachweis von
Radikalen in der Gasphase wie OH, NH, CN, HCO und anderen geeignet, da
diese MolekülestarkeelektronischeÜbergänge im nahen ultravioletten und
sichtbaren Spektralbereich besitzen. Laserlicht für diese Wellenlängenbereiche
ist direkt oder nach Frequenzkonversion in nichtlinearoptischen Kristallen
(BBO, KDP) zugänglich. Zahlreiche kleinere Atome absorbieren allerdings
erst im vakuumultravioletten Spektralbereich, H-Atome etwa bei dem nach
seinem Entdecker benannten Lyman-α-Übergang bei 121 nm. Um trotzdem
unter atmosphärischen Bedingungen arbeiten zu können, weicht man dann
häufig auf Mehrphotonenanregungs- und -nachweisschemata aus (Kap. 6.2).
Bei der laserinduzierten Fluoreszenz wird durch Absorption von Photonen
in einem Atom oder Molekül ein angeregter Zustand bevölkert. Aus diesem
heraus können Photonen entweder direkt emittiert werden oder durch intra-
(ohne Stöße) bzw. intermolekulare (unter Beteiligung von Stößen anderer
Moleküle) Energieumwandlungen in andere Niveaus des angeregten Zustands
wechseln, von wo aus dann eine Emission von Photonen erfolgt. Abbildung 6.1
zeigt die Verhältnisse am Beispiel der Potentialkurven des OH-Radikals für
die Anregung, d.h. Absorption der einfallenden Laserstrahlung und Emission
der Fluoreszenzstrahlung. Der hier durch Absorption angeregte elektronische
Zustand kann durch die Strahlung eines Excimer- oder frequenzverdoppelten
Farbstofflasers erreicht werden. Es können aber auch höhere Schwingungs-
Rotations-Zustände des elektronischen Grundzustands angeregt werden, wofür
man Strahlung im infraroten Spektralbereich benötigt. Die Intensität der
Infrarotfluoreszenz ist jedoch wesentlich geringer, da die Lebensdauer bis zur
spontanen Emission aus dem angeregten Zustand für solche Übergänge groß
ist. Sie wird daher nur für Untersuchungen bei niedrigem Druck eingesetzt, wo
die Wahrscheinlichkeit für eine stoßinduzierte, d.h. strahlungslose ” Löschung“
des angeregten Moleküls entsprechend geringer ist.
Der nach Absorption des Photons besetzte Zustand erfährt vor der Emission
häufig eine Deaktivierung (Relaxation) in niedrigere Energieniveaus.