DD151222A1 - Picosekunden-farbstofflaserspektrometer - Google Patents

Abstract

Das Ziel der Erfindung besteht darin, bei geringerem apparativen Aufwand die Zeitaufloesung von Picosekunden-Farbstofflaserspektrometern zu erhoehen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Spektrometer so auszugestalten, dasz eine exakte Synchronisation des Ablenksystems einer Streak-Kamera mit der Impuls-Folgefrequenz eines kontinuierlich arbeitenden modensynchronisierten Farbstofflasers erreicht wird. Das Spektrometer besteht im wesentlichen aus einem durch 2-Moden-Oszillation sinusfoermig modulierten Argonlaser, der einen Farbstofflaser pumpt, welcher ultrakurze Impulse zur Anregung einer fluoreszierenden Probe emittiert, und einer hinter der Probe angeordneten Streak-Kamera. Zur Erzielung einer exakt synchronen Streak-Kamera-Ablenkung ist im Strahlengang zwischen dem Argonlaser und dem Farbstofflaser ein Strahlteiler zur Bestrahlung eines Photodetektors angeordnet, dessen Ausgang ueber einen Verstaerker mit den X-Ablenkplatten und von diesen ueber eine Pi/2-Verzoegerungseinheit mit den Y-Ablenkplatten der Streak-Kamera verbunden ist.

Description

Dr. Klaus Berndt Berlin, den 9. 5. 1980

Zustellungsbevollmächtigt:

Akademie der Wissenschaften der DDR Zentralinstitut für Optik und Spektroskopie - Patentbüro

1199 Berlin-Adlershof, Rudower Chaussee 5

Picosekunden-Farbstofflaserspektrometer

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet aer zeitaufgelösten Spektroskopie im Picosekunden-Bereich mit Hilfe von kontinuierlich arbeitenden modensynchro· nisierten Farbstofflasern und Streak-Kameras. Die Anwendung ist in Spektrometern möglich und zweckmäßig,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Kontinuierlich arbeitende modensynchronisierte Gaslaser bzw. Farbstofflaser gestatten die Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse mit sehr hoher Folgefrequenz. Typisch sind Impulsdauern von 1 bis 100 ps und Folgefrequenzen um 100 MHz. Solche Laser werden bereits erfolgreich in Spektrometern zur Anregung von Fluoreszenzen und zur Untersuchung der dabei auftretenden Fluoreszenz-Abklingzeiten eingesetzt. Als empfindlicher und schneller Photodetektor ist dabei eine elektronenoptische Streak-Kamera eingesetzt, deren Ablenksystem von dem gleichen Sinusgenerator angesteuert wird, der auch zum Betreiben des im Gaslaser befindlichen Mode-Locke rs dient (WP 136540» GOlO, 3/00). Folgende Nachteile sind charakteristisch für derartige Spektrometer-Anordnungen:

Zum Betrieb des Mode-Lockers ist ein äußerst frequenzstabiles Sinussignal erforderlich. Bei typischen Signalfrequenzen um 100 MHz dürfen die Frequenzschwankungen nur einige 10 Hz betragen. Als Signalgeneratoren werden daher sehr aufwendige Frequenz-Synthesizer verwendet. Noch kritischer sind die Forderungen an das Ablenksignal der Streak-Kamera. Dessen Frequenz muß praktisch exakt mit der Laserimpuls-Folgefrequenz übereinstimmen. Da diese hohen Forderungen kaum zu erfüllen sind, tritt stets ein Zeitjitter auf, der zu einer Verringerung der Zeitauflösung des Spektrometers führt.

Die Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse in kontinuierlich arbeitenden Farbstoftiasern ist auch ohne die Verwendung eines aktiv betriebenen Mode-Lockers möglich. Bekannt ist beispielsweise die Methode des passiven Mode-Locking, bei der sich im Farbstofflaser eine zusätzliche Substanz befindet, die als passiver Schalter wirkt (Ippen, E.P. u. a.; Applied Physics Letters 21, 348 (1972)).

Diese Methode hat den Nachteil, daß zu jedem Farbstoff, der als aktives Material im Laser eingesetzt wird, ein in den

Parametern abgestimmter Farbstoff als passiver Modulator benötigt wird·

Eine andere Methode besteht darin, daß der dem kontinuierlichen Farbstofflaser vorgeschaltete Argonlaser eine sinusförmig modulierte Strahlung emittiert, und die Resonatorlänge des Farbstofflasers so groß ist, daß die Resonatorperiode des Farbstoftlasers mit der Periode des Sinussignals entweder übereinstimmt oder ein ganzzahliges Vielfaches davon ist (WP 206262, GOlO, 3/00). Die Sinusmodulation des Argonlasers wird dadurch erreicht, daß nur zwei longitudinale Moden angeregt werden, und eine Schwebung bei der Differenzfrequenz entsteht (WP 136679, HOlS, 3/10). Es ist daher kein frequenzstabiler Signalgenerator erforderlich.

Es sind auch Spektrometer mit kontinuierlich arbeitenden modensynchronisierten Gas- bzw. Farbstofflasern bekannt geworden, die ohne einen schnellen Photodetektor auskommen. In diesen Anordnungen wird das zu untersuchende Fluoreszenzlicht in einem optisch nichtlinearen Medium mit ultrakurzen Laserimpulsen gemischt. Das entstehende Mischlicht wird mit einem langsamen Photodetektor registriert, und die Zeitauflösung erhält man durch schrittweise Verzögerung der Laserimpulse gegenüber dem Fluoreszenziicht·

Diese Spektrometer haben jedoch im Vergleich zur Anordnung mit Streak-Kamera eine wesentlich geringere Nachweisempfindlichkeit bzw. sie führen zu einer wesentlich höheren Strahlenbelastung der zu untersuchenden Probe. Insbesondere im Falle biologischer Untersuchungsobjekte kann das ein erheblicher Nachteil sein.

- 4 Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Spektrometer auf der Basis eines kontinuierlich arbeitenden modensynchronisierten Farbstofflasers und einer Streak-Kamera so auszugestalten, daß eine exakte Synchronisation des Ablenksystems der Streak-Kamera mit der Impuls-Foigefrequenz des kontinuierlich arbeitenden modensynchronisierten Farbstoffiasers erreicht wird.

Das erfindungsgemäße Spektrometer besteht im wesentlichen aus einem sinusmodulierten Argonlaser zum Pumpen des Farbstofflasers, aus dem Farbstofflaser, dessen Resonatorperiode mit der Periode des Sinussignals entweder übereinstimmt oder ein ganzzahliges Vielfaches davon ist, aus der vom Farbstofflaser bestrahlten Probe sowie aus der Streak-Kamera mit vorgeschalteter Optik zur punktförmigen Abbildung von Fluoreszenzlicht der Probe auf die Kamera« Im Strahlengang des Argonlasers befindet sich außerdem ein Strahiteiler zur Ablenkung eines kleinen Anteils der Strahlung auf einen Photodetektor, dessen Ausgang über einen frequenzselektiven Verstärker mit den X-Ablenkplatten, sowie von dort Ober eine ТГ/2-VerzÖgerungseinheit mit den Y-Ablenkplatten der Streak-Kamera verbunden ist. Im Betrieb bewirkt die sinusförmig modulierte Argonlaser-Strahlung im Farbstofflaser das Entstehen ultrakurzer Impulse in fester Phasenbeziehung zum Pumpsignal. Da das verstärkte Signal des Photodetektors ebenfalls streng mit oem Pumpsignal korreliert ist, wird das Ablenksystem der Streak-Kamera exakt synchron mit der Laserimpuls-Folge frequenz angesteuert. Die Mittenfrequenz des selektiven Verstärker-Eingangs ist gleich der Frequenz des Pumpsignals. Die Mittenfrequenz des Verstärker-Ausgangs kann gleich der Mittenfrequenz des Eingangs sein oder nach entsprechender Untersetzung gleich einer Subharmonischen davon gewählt werden. Diese zweite Variante ist dann vorteilhaft, wenn das Ablenksystem der Streak-Kamera nicht für die sehr hohe Frequenz des Pumpsignals geeignet ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung ist das Schema des Farbstofflaserspektrometers dargestellt. Die Strahlung des Argonlasers A trifft auf den Farbstofflaser FL und regt diesen an. Hat der Argonlaser zum Beispiel eine Resonatorlänge L = 120 cm, so resultiert daraus ein Frequenzabstand benachbarter longitudinaler Moden von 125 MHz. Nach bereits vorgeschlagenen Verfahren zur Erzeugung sinusförmig modulierter Strahlung eines Argonlasers ist es möglich, eine sinusförmige Modulation bei den Frequenzen des vier- bis siebenfachen Modenabstandes, d.h. bei 500 MHz, 625 MHz, 750 MHz und 875 MHz zu erzeugen. Nach einem der bereits vorgeschlagenen Verfahren wird dazu bei mittlerem Strom im Laserrohr der Strom in der Magnetspule soweit verringert, bis eine Schwebung zwischen nur noch zwei angeregten longitudinalen Moden beobachtet wird.

Arbeitet man beispielsweise mit 500 MHz, so kann ein Farbstofflaser gepumpt werden, dessen Resonatorlänge Lp. « 30 cm ist. In diesem Falle stimmt die Periodendauer 2L__L/c des Farbstofflasorresonators mit der Periodendauer der 500 MHz-Pumpstrahlung überein, und es werden entsprechend einem ebenfalls bereits vorgeschlagenen Verfahren im zeitlichen Abstand 2Lp./c я 2ns ultrakurze Farbstofflaserimpulse emittiert.

Die Strahlung des Farbstofflasers wird mittels der Linse Ll in die fluoreszierende Probe F fokussiert. Das Fluoreszenzlicht wird über die Linsen L2 und L3 punktförmig auf die Photokathode der Streak-Kamera SK abgebildet. Im Strahlengang zwischen L2 und L3 befinden sich der Polarisator P sowie der Monochromator M.

Ober den Strahlteiler T und das Aufweitungssystem L5-L6 gelangt ein geringer Teil der Pumpstrahlung auf die in Pfeilrichtung bewegliche Photodiode PD. Ein mit der Photodiode fest verbundenes Wendelpotentiometer liefert eine der Ver-

Schiebung proportionale Gleichspannung an den X-Eingang des XY-Schreibers XY, Das Ausgangssignal der Photodiode PD wird in dem angeschlossenen 500 MHz-Schmalbandverstärker V verstärkt und an die X-Ablenkplatten der Streak-Kamera SK geführt. Der Ausgang des Verstärkers V ist außerdem über eine ТГ/2-Verzögerungseinheit mit den Y-Ablenkplatten der Streak-Kamera SK verbunden. Oadurch kommt es zu einer zirkulären Ablenkung der Photoelektronen in der Streak-Kamera. Ein kleiner Bezirk des auf dem Fluoreszenzschirm von den Photoelektronen bestrahlten Kreises wird über die Linse L4 auf die Blende B abgebildet, hinter der sich der Photomultiplier PM befindet. Der Ausgang des Photomultipliers ist mit dem Y-Eingang des XY-Schreibers verbunden.

Im Betrieb wird die Photodiode PD bewegt. Dadurch entsteht eine variable Phasenverschiebung zwischen der Fluoreszenz der Probe F und der Ablenkung in der "Streak-Kamera SK. Im Ergebnis erhält man auf dem XY-Schreiber den zeitlichen Verlauf der Fluoreszenz zwischen zwei Laserimpulsen. Da infolge der hohen Laserimpuls-Folgefrequenz sehr viele Fluoreszenzereignisse überlagert werden, ergibt sich eine sehr gute Nachweisempfindlicnkeit.

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch

   Picosekunden-Farbstofflaserspektrometer. іш wesentlichen bestehend aus einem mit einem Argonlaser gepumpten Färbstofflaser zur Anregung einer fluoreszierenden Probe und einer hinter der Probe angeordneten Streak-Kamera zur Registrierung des Fluoreszenzlichtes, gekennzeichnet dadurch, daß zur Erzeugung von ultrakurzen Farbstoftlaseriopulsen ein durch stabile
2. 2-Moden-Osziliation sinusförmig ,nodulierter Argonlaser eingesetzt ist und zur Erzielung einer exakt synchronen Streak-Kamera-Ablenkung im Strahlengang zwischen dem Argonlaser und dem Farbstofflaser ein Strahlteiler zur Bestrahlung eines Photodetektors angeordnet ist. dessen Ausgang über einen Verstärker mit den X-Ablenkplatten und von diesen über eine TT /2-Verzogerungseinheit mit den Y-Ablenkplatten der Streak-Kamera verbunden ist·

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