Medizinische Physik 3: Medizinische Laserphysik [2004]

130 T. Dreier
Abb. 7.4. Berechnetes CARS-Spektrum von Wasser für eine Temperatur von
2200 K. Man erkennt die zahlreichen Überlagerungen der Schwingungs-Rotations-
Linien der (v =0, 1) Q-Zweig (∆J =0)-Übergänge [2]
mit dem Suszeptibilitätstensor χ (3) , dessen Elemente von den beteiligten Frequenzen
ωi sowie den molekularen Parametern des untersuchten Moleküls
nach (7.6) abhängen,
χ (3) (ωas) =χnr + 2Nc4
hω 4 s
Ias = 16π4 ω 2 as
c 4 n 2 l nsnas
dσ
dΩ ∆ab
ωab
ω2 ab − (ωp − ωs) 2 − iΓab(ωp − ωs)
, (7.6)
erhält man schließlich für die CARS-Intensität den Ausdruck
�
�
�χ (3)
�
�
� 2
I 2 LISL 2
� �2 sin δkL/2
. (7.7)
δkL/2
Somit hängt die im Spektrum beobachtete Intensität von folgenden Größen
ab:
1. |χ (3) | 2 :molekülspezifisch; quadratisch abhängig von der Besetzungsdifferenz,
∆N = Nb − Na, zwischen unterem und oberem Energieniveau des
erlaubten Raman-Übergangs.
2. I 2 pIs: (I ∼|E| 2 ): starke Abhängigkeit der Signalintensität von den Intensitäten
von Pump- und Stokes-Laser.
Signalaufnahmetechniken und Versuchsaufbau. Man unterscheidet
prinzipiell zwei Arten von CARS-Spektroskopie, je nachdem, ob der Stokes-
Laser schmalbandig oder breitbandig ausgelegt ist. Im ersten Fall (Scanning
CARS) wird das CARS-Spektrum durch Abstimmen dieses Lasers über die
Raman-Resonanzen erzeugt (Abb. 7.5a). Im zweiten Fall ist die Bandbreite
des Lasers groß genug, um gleichzeitig alle Raman-Resonanzen anzuregen und
somit das CARS-Spektrum durch Dispersion in einem Spektrometer und Detektion
mit einer CCD-Kamera im Prinzip innerhalb eines Laserpulses zu
erhalten (Abb. 7.5b).
Abbildung 7.6 zeigt schematisch einen typischen Aufbau zur Aufnahme
von CARS-Spektren. Als Laserquelle für den Pumpstrahl (bei ωL) dientein