Medizinische Physik 3: Medizinische Laserphysik [2004]

6 Lineare Laserspektroskopiemethoden 119
Abb. 6.6. Vergleich zwischen Absorptionsspektroskopie mit breitbandiger inkohärenter
Lichtquelle (a) und mit abstimmbarem Laser (b)
• Die Linienbreite des Lasers ist meist sehr viel kleiner als die einer konventionellen
Lichtquelle. Damit kann man eine höhere spektrale Auflösung im
Absorptionsspektrum erreichen und dementsprechend genauere spektrale
Informationen über die Moleküle erhalten.
• Höhere Empfindlichkeit durch schmalbandige Strahlung. Eine Abschätzung
erhält man bei Kenntnis des Absorptionskoeffizienten α aus der
Formel ∼ αδω/∆ω(δω –Absorptionslinienbreite, ∆ω – Laserbandbreite).
Abbildung 6.6 zeigt jeweils einen typischen experimentellen Aufbau zur Messung
von Absorptionsspektren in Gasen unter Verwendung einer thermischen
Lichtquelle (Abb. 6.6a) und eines Lasers (Abb. 6.6b) [3]. Man erkennt dort
auch einen weiteren Vorteil der Laserspektroskopie: ein Laserstrahl kann aufgrund
seiner geringen Divergenz leicht durch Vielfachreflexion zwischen zwei
in der Gaszelle angebrachten Spiegeln einen langen Absorptionsweg im Gas
zurücklegen, was die Nachweisgrenze für geringe Konzentrationen erheblich
verbessert. Empfindliche Absorptionsmethoden (bis zu einzelnen absorbierten
Photonen) können noch relative Absorptionen bis herunter zu ∆α/α ≈ 10 −15
messen!
Photoakustische Spektroskopie. Von Bell und Tyndal wurde 1881 erstmals
eine Methode angegeben, mit der die Absorption von Licht in einem
Gas nicht über die Intensitätsschwächung nach Austritt des Lichtstrahls aus
der Probe nachgewiesen sondern ” hörbar“ gemacht werden kann. Mit dieser
Technik (heute Photoakustik genannt) erreicht man eine sehr hohe Empfindlichkeit
zum Nachweis geringster Konzentrationen im ppb- (parts per billion,
10 −9 ) bis ppt- (parts per trillion, 10 −12 ) -Bereich. Grundlegende Voraussetzung
ist allerdings, dass die nachzuweisenden Spezies sich in einer Mischung
mit einem Inertgas bei höheren Drücken (ca. einige mbar bis 1 bar) in der