Raman-Spektroskopie bei kleinen Wellenzahlen

  • 24. January 2012

Neue Filtertechnologien ermöglichen erstmals auch einstufigen Raman-Spektrometern den Zugang zu extrem kleinen Wellenzahlen.

Schwingungszustände, die energetisch sehr nahe am Grundzustand liegen, ließen sich bisher nur mit mehrstufigen Monochromatoren spektroskopieren. Nun ermöglicht es eine innovative Filtertechnologie, Stokes- und Anti-Stokes-Raman-Banden bis hinunter zu 10 cm–1 mit einem einstufigen Monochromator zuverlässig zu messen.

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Abb.1  Im „Volume Bragg Grating“, wie es im Ultra-Low-Frequency-Filter zum Einsatz kommt, filtern Materialien mit periodisch variierendem Brechungsindex einen extrem schmalen Spektralbereich. Dadurch verändern sogar kleine Variationen im Einfallswinkel die optische Durchlässigkeit deutlich, sodass nur die Photonen reflektieren, welche die Bragg-­Bedingung erfüllen.

Insbesondere in der Festkörperforschung ist es zunehmend wichtig, Informationen aus Raman-Spektren zu erhalten, die sehr nahe an der Rayleigh-Linie liegen, da sich hier Informationen aus Gitter- und Phononenschwingungen verbergen. Die Rayleigh-Linie liegt genau bei derselben Wellenlänge wie die anregenden Lichtquanten und muss optisch herausgefiltert werden, damit sie nicht den gesamten Detektor überstrahlt. Da die Raman-Streuung statistisch aber nur einmal pro 106 bis 109 Rayleigh-streuenden Ereignissen stattfindet, steht nur ein geringer Teil der von der Probe emittierten Photonen für die Raman-Spektroskopie zur Verfügung. Dies wiederum bedeutet, dass ein gut funktionierender Spektrograph nur wenig Lichtverlust zulassen darf. Andererseits führt eine für die spektrale Auflösung enorm wichtige große fokale Länge naturgemäß zu einer Schwächung der Lichtleistung, die sich aber durch andere Parameter ausgleichen lässt.

Da sehr niedrige Wellenzahlen bisher nur über eine subtraktive Doppelmonochromatoranordnung zugänglich waren, d. h. ein dreistufiges System voraussetzte, war hiermit stets ein Verlust an Lichtintensität auszugleichen (z. B. durch längere Messzeit). Der Ultra-Low-Frequency- (ULF) Filter ermöglicht nun auch in lichtstarken einstufigen Geräten den Zugang zu sehr kleinen Wellenzahlen, ohne auf Lichtintensität verzichten zu müssen. Erhältlich ist die ULF-Technik für eine Reihe von Raman-Laserwellenlängen (z. B. 488, 514, 532, 633 und 1064 nm) und lässt sich in Geräte wie den LabRAM HR einbauen. Ein sog. Volume Bragg Grating (VBG) filtert einen extrem schmalen Frequenzabschnitt. Hierbei handelt es sich um optische Elemente, die aus dünnen Schichten mit periodisch variierendem Brechungsindex bestehen (Abb. 1). Des Weiteren ermöglicht diese Filtertechnik die Aufnahme des gesamten Raman-Spektrums von 10 bis 4200 cm–1 in einer einzigen, kontinuierlich durchlaufenden Messung.

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