DE10336057B4

DE10336057B4 - Verfahren, Vorrichtung und Computerprogramm zur Trennung von Molekülen mit unterschiedlichen Anregungsspektren

Info

Publication number: DE10336057B4
Application number: DE10336057A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dr. Lindinger; Cosmin Dr. Lupulescu; Ludger Prof. Dr. Wöste
Original assignee: Individual
Current assignee: Lindinger Albrecht 14513 Teltow De
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2010-12-23
Anticipated expiration: 2023-08-02
Also published as: DE10336057A1; US7276103B2; US20050023127A1

Abstract

Verfahren zur Trennung von Molekülen mit unterschiedlichen Anregungsspektren, die Bestandteile eines Gases bilden, das als Gasgemisch Moleküle enthält, die sich hinsichtlich ihrer Anregungsspektren unterscheiden,
bei dem Moleküle extrahiert werden sollen, um eine vorgegebene Zusammensetzung der extrahierten Moleküle hinsichtlich ihres Anregungsspektrums zu erreichen, und
bei dem die Moleküle des Gasgemisches derart mit Laserpulsen angeregt werden, dass Moleküle aufgrund mehrfacher Absorption von Energiequanten der Laserpulse in einen angeregten Zustand überführt werden, in dem sie aus dem Gas extrahiert werden, so dass die extrahierten Moleküle in einer durch die Form des Laserpulses bestimmten Zusammensetzung vorliegen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Laserpulse durch einen iterativen Prozess geformt werden, bei dem die Zusammensetzung der aus dem Gas extrahierten Moleküle gemessen und mit der vorgegebenen Zusammensetzung verglichen wird und der jeweilige Laserpuls in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der nach Absorption von Energiequanten extrahierten Moleküle hinsichtlich seiner Form variiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Molekülen mit unterschiedlichen Anregungsspektren, die Bestandteile eines Gases bilden, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12 sowie ein Computerprogramm zur Einstellung von Laserpulsen für das Verfahren.
Die zu trennenden Moleküle, die als Bestandteile eines Gases vorliegen, unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Anregungsspektren, d. h. in der Lage der Energieniveaus, die die angeregten Zustände des jeweiligen Moleküls definieren. Der Begriff Anregungsspektrum wird daher zur Bezeichnung der energetischen Lage der Energieniveaus eines jeweiligen Moleküls verwendet.
Bei den zu trennenden Molekülen kann es sich demnach einerseits um Moleküle mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften, insbesondere mit einer unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung handeln, also unterschiedliche Molekülarten, die aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen Eigenschaften unterschiedliche Anregungsspektren aufweisen, oder um Moleküle, die sich (bei übereinstimmender chemischer Zusammensetzung) lediglich in bestimmten physikalischen Eigenschaften unterscheiden und aus diesen Gründen unterschiedliche Anregungsspektren aufweisen. Letzteres betrifft insbesondere Isotope (eines bestimmten Molekültyps), da sich die vorliegende Erfindung vor allem auch auf die Isotopentrennung (Trennung molekularer Isotope) bezieht.
Unter Molekülen werden dabei vorliegend einatomige Moleküle, aus mehreren Atomen zusammengesetzte Moleküle und auch Zusammenlagerungen von Molekülen in Form von Clustern verstanden, wie in Bergmann Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 5, Vielteilchen-Systeme, Walter de Gruyter Berlin 1992, Kapitel 8 beschrieben.
Zur Abtrennung von Molekülen, die aufgrund ihrer Zusammensetzung aus verschiedenen Isotopen unterschiedliche Anregungsspektren besitzen, sind eine Vielzahl von Methoden bekannt. Aus der US 5,827,405 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Isotop aus einem gasförmigen Isotopengemisch bestehend aus zwei Isotopen abgetrennt wird. Dabei werden Laserpulse in das Isotopengemisch eingestrahlt, die zuerst beide Isotope nicht-selektiv in einen höheren elektronischen Quantenzustand anregen. Dabei werden die Isotope, deren Anregungsspektren sich aufgrund ihrer nur leicht unterschiedlichen Massen nicht überlappen, sondern im Energiespektrum nah beieinander liegen, in quantisierte Schwingungszustände versetzt. Die Wellenpakete der Isotope oszillieren dabei anfangs in Phase, laufen aber aufgrund ihrer isotopenspezifischen Progression räumlich auseinander.
Beim Verfahren gemäß der US-Patentschrift werden sowohl die elektronischen Anregungsenergien der Isotope sowie die Zeit berechnet, nach der eine Wiederkehr der Wellenpakete eintrifft und die Wellenpakete der unterschiedlichen Isotope räumlich so weit auseinandergelaufen sind, dass sie gegenphasig schwingen. Zu diesem Zeitpunkt wird ein weiterer Laserpuls in das Isotopengemisch eingestrahlt. Das abzutrennende Isotop wird durch Absorption eines weiteren Energiequants höher angeregt, ohne dass das andere Isotop ein Energiequant des weiteren Laserpulses absorbieren kann, da aufgrund der räumlichen Trennung der Wellenpakete, also des unterschiedlichen Abstandes der Elektronen zum Isotopenkern, die Anregungsspektren eine unterschiedliche Energiehöhe besitzen.
Die mehrfach angeregten Isotope können daraufhin aus dem Gasgemisch durch bekannte Methoden extrahiert werden. Dies kann beispielsweise durch chemische Reaktionen oder bei Ionisation der Isotope durch elektrostatische Felder geschehen.
Eine andere aus der US-Patentschrift bekannte Möglichkeit besteht darin, mit dem zweiten Laserpuls ein zweites Elektron aus dem ursprünglichen Grundzustand in denselben Quantenzustand wie das erste Elektron anzuregen. Dabei wird der Zeitpunkt der zweiten Anregung so berechnet, dass das zweite angeregte Elektron des nicht abzutrennenden Isotops räumlich mit dem ersten Elektron schwingt, jedoch in der Phase versetzt. Dadurch löschen sich die Schwingungszustände der Elektronen gegenseitig aus und ein dritter Laserpuls regt die Elektronen des abzutrennenden Isotops weiter an, woraufhin das Isotop durch bekannte Methoden aus dem Isotopengemisch extrahiert werden kann.
Ein Nachteil dieser beiden Methoden ist es, dass die Verfahren nur funktionieren, wenn sowohl die Quantenzustände der Isotope vorher genau berechnet wurden, als auch die Zeitspanne, in der die oszillierenden die Wellenpakete auseinanderlaufen.
In der Veröffentlichung ”Feedback optimization of shaped femtosecond laser Pulses for conntrolling the wavepaket dynamics and reactivity of mixed alkaline clusters”, Vadja, St. et al., Chemical Physics 267 (2001), Seite 231–239 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem mittels Laserstrahlung auf ein Na₂K-Gas eingewirkt wird, um die Na₂K-Moleküle zunächst anzuregen und schließlich zu fragmentieren. Dabei wird in einem zweistufigen Prozess zunächst eine Anregung der Na₂K-Moleküle und anschließend deren Ionisation bewirkt. Durch Variation der Laserpulse mit einem selbstlernenden Algorithmus können intrinsische Eigenschaften des reaktiven Systems in Realzeit erfasst werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, Moleküle mit unterschiedlichen Anregungsspektren voneinander zu trennen, ohne dass zuvor theoretische Analysen und genaue Berechnungen über die Quantenzustände der Moleküle durchgeführt werden müssen.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Laserpulse durch einen iterativen Prozess geformt, bei dem die (mehrfach) angeregten Moleküle aus dem Gas extrahiert werden sowie deren Zusammensetzung gemessen und mit der vorgegebenen Zusammensetzung verglichen wird. Der jeweilige Laserpuls wird in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der nach Absorption von Energiequanten extrahierten Moleküle hinsichtlich seiner Form variiert.
Dabei heißt Variation nach der Form der Laserpulse, dass diese beispielsweise bezüglich ihrer Frequenz und / oder Amplitude moduliert werden können, aber auch in ihrer zeitlichen Dauer und Abfolge.
Die Zusammensetzung der extrahierten Moleküle setzt sich aus Molekülen des Gases zusammen, die sich hinsichtlich ihres Anregungsspektrums unterscheiden. Sie besteht dabei prozentual aus abzutrennenden Molekülen und prozentual aus nicht abzutrennenden Molekülen. Der prozentuale Anteil der abzutrennenden Moleküle ergibt sich aufgrund der Anregungsspektren der extrahierten Moleküle.
Gibt es beispielsweise in dem Gas nur Moleküle mit zwei unterschiedlichen Anregungsspektren, von denen eine gleichgroße Anzahl extrahiert wird, so besteht die Zusammensetzung im Verhältnis 1:1 aus extrahierten Molekülen mit unterschiedlichen Anregungsspektren.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass im Gegensatz zu den bisher bekannten Methoden keine genauen Berechnungen bezüglich der Anregungsenergien und Pulslängen oder Pausen zwischen Laserpulsen angestellt werden müssen, um eine angestrebte Trennung der Moleküle zu erreichen. Mit einem zufällig gewählten Anfangs-Laserimpuls wird ein iterativer Prozess begonnen. Der Prozess wird beendet, wenn die extrahierte Zusammensetzung der Moleküle optimiert ist, also beispielsweise das Verhältnis zweier Moleküle mit unterschiedlichen Anregungsspektren maximiert wurde. Dadurch werden bei dem erfindungsgemäßen Trennverfahren Vorberechnungen überflüssig.
Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auch die Art und Weise der Mehrfachanregung der abzutrennenden Moleküle nicht durch Rechnungen vorbestimmt wird. Es gibt viele unterschiedliche Wege und Arten, wie Elektronen in einen angeregten Zustand gelangen können, in dem sie extrahiert werden können. Durch den iterativen Prozess wird nicht nur ein Weg oder eine Art benutzt, sondern beispielsweise mehrere kombiniert, oder nur der beste Weg herausgefunden und benutzt. Bei der Durchführung des Verfahrens ist man nicht durch einen vorgegeben Anregungsweg festgelegt. Dies ist besonders vorteilhaft gegenüber Trennverfahren mit cw-Lasern, wie sie z. B. aus den Druckschriften US 3,772,519 und US 3,443,087 bekannt sind, da dort nur genau ein berechneter Anregungsschritt stattfindet.
Bevorzugt wird der Laserpuls solange hinsichtlich seiner Form variiert, bis die als Folge der Absorption von Lichtquanten extrahierten Moleküle hinsichtlich der Anregungsspektren eine Zusammensetzung aufweisen, die bezüglich einer vorgegebenen Zusammensetzung optimiert ist. Durch die vorgegebene Zusammensetzung wird dem iterativen Prozess ein Ziel gegeben, anhand dessen die tatsächliche Zusammensetzung der extrahierten Moleküle optimiert wird.
Eine Ausgestaltungsform der Erfindung sieht vor, dass während des iterativen Prozesses zur Formung eines Laserpulses zuerst der Laserpuls zum Anregen der Moleküle in das Gas eingestrahlt wird. Danach werden mehrfach angeregte Moleküle aus dem Gas extrahiert sowie deren Zusammensetzung gemessen und mit einer vorgegebenen Zusammensetzung verglichen. Als nächster Verfahrensschritt wird der Laserpuls solange hinsichtlich seiner Form variiert und erneut in das Gas eingestrahlt, bis die Zusammensetzung der extrahierten Moleküle bezüglich der vorgegebenen Zusammensetzung optimiert ist.
Durch das Messen der Zusammensetzung erfolgt eine Rückkopplung, auf deren Grundlage die Laserpulse entsprechend der in der gemessenen Zusammensetzung enthaltenden Information verändert werden.
Beispielsweise werden abgetrennte Moleküle aus dem Gas extrahiert. Deren Zusammensetzung wird gemessen und ausgewertet, insbesondere die Anzahl der abzutrennenden Moleküle im Verhältnis zu den anderen Molekülen.
Mit Vorteil wird der Laserpuls solange hinsichtlich seiner Form variiert, bis durch weitere Variation der Form des Laserpulses keine weitere Annäherung an die vorgegebene Zusammensetzung erzielt wird.
Vorteilhaft wird der Laserpuls amplituden- und/oder phasenmoduliert und die Modulation des Laserpulses im Laufe des iterativen Prozesses verändert.
Dadurch wird eine frequenz- und zeitabhängige Wechselwirkung des modulierten Pulses mit Schwingungsquantenzuständen ermöglicht, die zur optimalen Anregung des anzuregenden Moleküls führt.
Besonders vorteilhaft folgt der iterative Prozess und die Variation der Form des Laserpulses einem evolutionären Algorithmus. Ein solcher evolutionärer Algorithmus ist gekennzeichnet durch an die biologische Evolution angelehnte Schritte der Mutation, Überkreuzung und dem Überleben der Fittesten. Die Laserpulse werden also während des iterativen Prozesses in ihrer Form zufällig leicht verändert (Mutation), tauschen zufällige Formmerkmale aus (Überkreuzen), beispielsweise Amplituden- oder Phasenwerte und werden je nach ihrem Optimierungsgrad ausgewählt und weitervariiert oder verworfen (Überleben der Fittesten).
In einer Ausgestaltungsform ist vorgesehen, dass die Anregungsspektren der aus dem Gas abzutrennenden Moleküle den Anregungsspektren der nicht abzutrennenden Moleküle so ähneln, dass die Schwingungsenergieniveaus der unterschiedlichen Moleküle nur geringfügig verschiedene Energien aufweisen und die Moleküle selektiv durch den Laserpuls in ihre Schwingungszustände angeregt werden. Eine selektive Anregung der abzutrennenden Moleküle ist besonders vorteilhaft durch Anregung mit einem frequenzmodulierten Laserpuls zu erzielen. Die Trennung von Molekülen mit ähnlichen Anregungsspektren erforderte bislang sehr exakte Berechnungen und kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ohne genaue Vorberechnungen durchgeführt werden.
Sind die Anregungsspektren der Moleküle so ähnlich, dass selbst die einzelnen Anregungsenergien der Schwingungszustände unterschiedlicher Moleküle dieselbe Reihenfolge haben, so können Moleküle mit unterschiedlichen Anregungsspektren in Quantenzustände mit gleichen Quantenzahlen gebracht werden. Dort oszillieren sie erst in Phase, und laufen dann räumlich auseinander und können gezielt selektiv weiter angeregt werden, bis sie extrahiert werden. Dies ist ein Vorteil gegenüber der bekannten Molekültrennung mit cw-Lasern, bei der die zeitliche Dynamik nicht ausgenutzt werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform werden die abzutrennenden Moleküle selektiv angeregt, indem der verwendete Laserpuls durch den iterativen Prozess in seinem Frequenzspektrum exakt auf das spezifische Anregungsspektrum eingestellt wird. Die abzutrennenden Moleküle werden dann selektiv mehrfach kurz hintereinander durch einen einzigen Laserpuls angeregt.
Mit Vorteil werden abzutrennende Moleküle durch die mehrfache Anregung so weit angeregt, dass sie entweder ionisiert werden oder in Rydberg-Zustände angeregt werden und durch elektromagnetische Felder ionisiert werden.
Eine Ausgestaltungsform sieht vor, dass die Moleküle durch die mehrfache elektronische Anregung entweder ionisiert werden oder dissoziieren. Die mehrfach angeregten, abzutrennenden Moleküle werden durch elektromagnetische Felder oder chemisch extrahiert. Ionisierte Moleküle werden am besten durch elektrostatische Felder extrahiert, etwa einem Quadrupolmassenspektrometer und gleichzeitig detektiert.
Vorteilhaft wird zur Bestimmung der temporären und spektralen Form der Laserpulse eine Laserpulsdetektionseinheit verwendet. Diese Form gibt Rückschlüsse darauf, wie der Laserpuls geformt war, so dass Rückschlüsse auf die Anregungsvorgänge im Molekül gemacht werden können.
Eine besonders bevorzugte Verfahrens-Variante sieht vor, dass zur Bereitstellung der Laserpulse ein Femtosekundenlaser verwendet wird, der Laserpulse in einem Frequenzbereich liefert, dessen energetisches Äquivalent elektronischen Anregungsenergien von Quantenzuständen der abzutrennenden Moleküle entspricht. Durch die Verwendung ultrakurzer Laserpulse erfolgt ein großer Energieübertrag an das Gas. Weiterhin ist das Frequenzspektrum von Femtosekundenlasern breiter als das Frequenzspektrum bislang häufig verwendeter durchstimmbarer cw-Laser. Durch einen Laserpuls mit einem breiten Frequenzspektrum können die Moleküle aus dem Gas in angeregte Zustände mit unterschiedlichen Quantenzahlen versetzt werden. Die elektronische Mehrfachanregung erfolgt also nicht auf einem vorbestimmten und vorberechnetem Wege mit exakt festgelegten Quantenzuständen, sondern über mehrere unterschiedliche Wege mit ähnlichen Quantenzahlen. Durch den iterativen Prozess wird der oder die bestmöglichen Anregungswege gefunden.
Ein Vorteil besteht hier in der kurzen Einwirkungsdauer des Laserpulses bis hinab in den Subpikosekundenbereich, was eine schnelle Trennung der Moleküle relativ zu den in der Regel hinderlichen internen Umverteilung auf andere Schwingungsmoden ermöglicht. Daher ist das Verfahren auch für große Moleküle mit generell schneller Umverteilung der Schwingungsmoden geeignet. Dies ist vorteilhaft für die eingangs im Stand der Technik beschriebene Methode, die eine ausreichend lange Zeitdauer für die Isotopentrennung vorraussetzt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Trennung von Molekülen aus einem Gas bereitzustellen.
Diese weitere Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12 gelöst Die Vorrichtung weist erfindungsgemäß eine Steuereinrichtung auf, die einen Pulsmodulator in einem iterativen Prozess so ansteuert, dass die Form der Laserpulse solange variiert wird, bis die vom Detektor detektierten extrahierten Moleküle hinsichtlich der Anregungsspektren eine Zusammensetzung aufweisen, die bezüglich einer vorgegebenem Zusammensetzung optimiert ist.
Die Steuereinrichtung kann beispielsweise ein Computer mit einem Steuerprogramm sein. Die Steuereinrichtung wirkt mit einer Auswerteinrichtung zusammen, die die vom Detektor detektierte Zusammensetzung extrahierter Moleküle unterschiedlicher Anregungsspektren auswertet und mit der Steuereinrichtung zusammenwirkt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Computerprogramm zur Einstellung von Laserpulsen für das Verfahren bzw. die Vorrichtung zur Trennung von Molekülen aus einem Gas bereitzustellen.
Diese weitere Aufgabe wird durch ein Computerprogramm nach dem Oberbegriff des Anspruchs 21 gelöst.
Erfindungsgemäß weist das Computerprogramm ein Auswertmittel zur Auswertung einer gemessenen Zusammensetzung aus dem Gas extrahierter Moleküle mit unterschiedlichen Anregungsspektren auf. Weiterhin ist ein Vergleichsmittel zum automatischen Vergleichen der gemessenen Zusammensetzung mit einer vorgegebenen Zusammensetzung vorgesehen, wobei in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs das Steuerungsmittel automatisch in einer weiteren Iteration eine Variation der Form der Laserpulse auslöst, oder die Form der Laserpulse nicht verändert wird.
Das Computerprogramm weist bevorzugt ein Variationsmittel auf, das die Form der Laserpulse variiert, wenn der Vergleich durch das Vergleichsmittel ergibt, dass die gemessene Zusammensetzung nicht optimiert ist, und dass das Variationsmittel Informationen über die Variation der Form der Laserpulse an das Steuerungsmittel weiterleitet. Die Variationen erfolgen vorteilhaft nach einem evolutionären Algorithmus.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den folgenden Figuren beispielhaft dargestellten Ausführungsformen erläutert.
Es zeigen:
1: einen schematischen Ablauf eines Isotopentrennverfahrens durch einen iterativen Prozess nach einem evolutionären Algorithmus;
2: in drei Diagrammen das Energieniveauschema von gasförmigem K₂, wobei insbesondere die Schwingungsniveaus des A¹Σ_u ⁺ und des (2)¹Π_g Zustands gezeigt werden;
3: ein Diagramm des Verlaufs eines iterativen Prozesses zur Maximierung a) und Minimierung b) des Verhältnisses von ^39,39K₂ Isotopen zu ^39,41K₂ Isotopen in den aus einem K₂-Isotopengemisch extrahierten K₂-Molekülen;
4: ein durch einen iterativen Prozess optimiertes Laserpulsspektrum für die Maximierung a) und Minimierung b) des Isotopenverhältnisses zu den Diagrammen der 3a) und 3b) bei einer Laserlichtwellenlänge von 833 nm;
5: ein durch einen iterativen Prozess optimiertes Laserpulsspektrum für die Maximierung a) und Minimierung b) des Isotopenverhältnisses zu den Diagrammen der 3a) und 3b) bei einer Laserlichtwellenlänge von 810, 820 und 833 nm;
6: ein Diagramm einer XFROG-Spur eines durch einen iterativen Prozess optimierten Laserpulses für die Maximierung (a) und Minimierung (b) des Isotopenverhältnisses zu den Diagrammen der 3a) und 3b);
7: ein Diagramm des Verlaufs eines iterativen Prozesses zur Maximierung a) und Minimierung b) des Verhältnisses von ³⁹K Isotopen zu ⁴¹K Isotopen in den aus einem NaK-Isotopengemisch extrahierten NaK-Molekülen;
8: ein Struktogramm eines Computerprogrammproduktes, zur Einstellung eines Laserpulses zur Trennung von Molekülen durch einen iterativen Prozess.
1 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zur Trennung von Molekülen mit unterschiedlichem Absorptionsspektrum, nämlich eines Isotopentrennverfahrens, mittels eines iterativen Prozesses unter Verwendung einer geeigneten Vorrichtung 1 bis 5. Der iterative Prozess folgt hierbei einem evolutionären Algorithmus.
Das aus den zu trennen Molekülen bestehende Gas 2 wird durch eine Vakuumapparatur zur Herstellung von kalten Molekül- oder Clusterstrahlen aus einer freien Expansion im Überschallbereich bereitgestellt. Vorliegend wird das Gas gebildet durch Moleküle mit zwei Isotopen desselben Elements. Die Moleküle haben aufgrund der zwei Isotope zwei unterschiedliche Gesamtmassen, weswegen die Moleküle auch unterschiedliche Anregungsspektren aufweisen.
Zur Abtrennung bestimmter Isotope wird ein Laser in Form eines Femtosekundenlaser verwendet, der ultrakurze Laserpulse 1 in einem Frequenzbereich (Femtosekundenbereich) abstrahlt, mit denen eine die Abtrennung ermöglichende elektronische Anregung der Moleküle des Gases 2 ausgelöst wird. Die Laserpulse 1 sind dafür bestimmt, in das Gas 2 eingestrahlt zu werden.
Dem Laser ist ein Laserpulsmodulator 4 zugeordnet, um die Laserpulse 1 eines Lasers zu modulieren. Der Pulsmodulator 4 ist als ein Amplituden- und Phasenpulsmodulator mit Flüssigkristallen ausgebildet und ist in der Fourierebene einer geeigneten Gitterordnung zur Herstellung von in Zeit und Frequenz geformten Laserpulsen 1 angeordnet.
Zur Steuerung des Pulsmodulators dient ein Mikroprozessor mit einem Computerprogramm, das den iterativen Trennprozess steuert und insbesondere einzelne Flüssigkristalle des Pulsmodulators 4 ansteuert.
Die von dem Pulsmodulator 4 geformten Laserpulse 1 regen Moleküle aus dem Gas 2 so an, dass einige durch mehrfache Absorption von Lichtquanten der Laserpulse 1 ionisiert werden. Die ionisierten Moleküle werden durch elektrostatische Felder aus dem Gas extrahiert, durch ein Massenspektrometer 3 nach ihrer isotopenspezifischen Zusammensetzung getrennt und von einem Ionendetektor 3 detektiert.
Die Signale der Ionendetektoren 3 werden an das Computerprogramm gesendet, dass die gemessene Zusammensetzung der extrahierten Moleküle mit einer vorgegebenen Zusammensetzung vergleicht.
Die für den Laserpulsmodulator 4 bestimmten Laserpulse L werden anfangs in einem Verfahrensschritt S1 so festgelegt, dass im Spektralbereich des Lasers zufällige, aufeinanderfolgende Amplituden- und Phasenwerte eingestellt werden.
Die Laserpulse L werden in einem zweiten Verfahrensschritt S2 zufällig überkreuzt. Zufälliges Überkreuzen heißt, dass zufällig ausgewählte Amplituden- und Phasenwerten W1, W2 und W3 zweier Laserpulse L1 und L2 ausgetauscht werden. Das Äquivalent zu diesem Verfahrensschritt aus dem biologischen „Evolutionsalgorithmus” ist hierfür das zufällige überkreuzen von Chromosomen.
Im darauffolgenden Verfahrensschritt S3 werden die Amplituden- und Phasenwerte der Laserpulse zufällig um einen kleinen Betrag n(σ) verändern, um eine Mutation zu simulieren.
Die so hergestellten Pulsformen werden in Schritt S4 an den Pulsmodulator 4 gesendet. Der Pulsmodulator ist in 1 ein Flüssigkristallpulsmodulator, dessen Kristalle einzeln angesteuert werden, um die Laserpulse 1 in Amplitude und Frequenz zu formen.
Daraufhin werden in Schritt S5 durch den Pulsmodulator geformte Laserpulse in das Gas aus Isotopen eingestrahlt, woraufhin einige Moleküle mehrfach anregt und ionisiert werden. Moleküle, die durch einen Laserpuls nur einfach angeregt werden, werden nicht ionisiert. Die entstehenden Ionen werden in einer Ionenoptik durch elektrostatische Felder abgezogen, mit einem Quadrupolmassenspektrometer 3 selektiert und in einem Elektronenvervielfältiger detektiert. Dadurch wird die Zusammensetzung der ionisierten Isotope gemessen und auf ihre „Fitness” geprüft. Es wird geprüft, ob eine nach einem Einstrahlen eines ersten Laserpulses gemessene erste Isotopenzusammensetzung mit einer vorgegebenen Isotopenzusammensetzung besser übereinstimmt als eine nach einem Einstrahlen eines zweiten Laserpulses gemessene zweite Isotopenzusammensetzung. So wird jeder Laserpulsform eine „Fitness” zugeordnet.
In Schritt S6 werden dann aus den Laserpulsformen L5 bis L7 die besten herausgesucht. Jeder Laserpulsform wird die Isotopenzusammensetzung extrahierter Moleküle zugeordnet, die sich im Experiment bei Einstrahlung eines Laserpulses mit der entsprechenden Laserpulsform ergab. Es werden die Laserpulsformen herausgesucht, deren zugeordnete Isotopenzusammensetzungen der vorgegebenen Isotopenzusammensetzung am meisten ähneln. Die Laserpulsformen L6 und L7 werden verworfen, die Laserpulsform L5 wird weiterverwendet. Dadurch werden nur die Laserpulsformen weiterverwendet, die der vorgegebenen, gewünschten Isotopenzusammensetzung am ähnlichsten sind.
Diese Laserpulsformen werden in Schritt S2 überkreuzt, womit eine neue Iteration des Prozesses beginnt. In 1 nicht eingezeichnet ist ein Entscheidungsmittel, dass entscheidet, wann die Laserpulsform so optimiert ist, dass der iterative Prozess abgebrochen wird. Üblicherweise wird der Prozess abgebrochen, wenn sich die „Fitness” der erhaltenen Isotopenzusammensetzung nicht mehr ändert. Dieses Entscheidungsmittel ist in das Computerprogramm der Versuchsvorrichtung integriert.
Eine mögliche Isotopenzusammensetzung ist beispielsweise die Maximierung einer Isotopensorte. Genauso kann aber auch eine Zusammensetzung unterschiedlicher Isotope in einer Bruchzahl vorgegeben werden, z. B. eine Zusammensetzung dreier verschiedener Isotope im Verhältnis 1:2:3.
Die 2 zeigt im Teilbild a) Energieniveaus eines K₂ Moleküls in Abhängigkeit vom rechts eingetragenen Anregungszustand. Mit Pfeilen ist der Ionisationsweg eines selektiv angeregten Elektrons eingezeichnet. Durch Absorption eines ersten Energiequants A1 eines Laserpulses wird ein Elektron vom Grundzustand in den A¹Σ_u ⁺ Zustand angeregt, durch Absorption eines zweiten Energiequants A2 in den (2)¹Π_g Zustand woraufhin es durch Absorption eines dritten Energiequants A3 weiter angeregt und ionisiert wird. Die Ionisation erfolgt mittels eines einzigen Laserpulses, der durch einen iterativen Prozess geformt wurde.
Die Potentialkurven des A¹Σ_u ⁺ Zustands von gasförmigem K₂ Molekülen ist in Diagramm b) gezeigt. Der Potentialverlauf ist aus dem Stand der Technik bekannt (vgl. W. Meyer [unveröffentlicht] und G. Jong, L. Li, T.-J. Wung und W. C. Stwally, J. Molec. Spectrosc. 155 (1992) 115), ebenso wie die in Diagramm c) dargestellten Potentialkurven des durch Absorption des Energiequants A2 angeregten (2)¹Π_g Zustands.
Bei allen drei Diagrammen ist auf der x-Achse der Abstand der Elektronen vom Kern in Å angegeben, auf der y-Achse die Anregungsenergie in cm^–1. Die durchgezogenen Linien in den Diagrammen b) und c) bezeichnen die Schwingungsniveaus des ^39,39K₂ Isotops, während die gestrichelten Linien in den Diagrammen b) und c) die Schwingungsniveaus des ^39,41K₂ Isotops zeigen. Dargestellt in Diagramm b) sind die Schwingungsniveaus für die Quantenzahlen v' = 11 bis v' = 15. Links neben dem Anregungsspektrum ist das ungeformte Spektrum Sp1 des verwendeten Laserpulses mit einer Zentralwellenlänge von 833 nm gezeigt.
Die Schwingungsniveaus v' = 12, 13 des leichteren Isotops sind durch Spin-Bahn Wechselwirkung mit dem b³Π_u Zustand gestört und daher leicht um +1,2 cm^–1 bzw. +2,1 cm^–1 verschoben (vgl. S. Rutz, R. de Vivic-Riedle und E. Schreiber, Phys. Rev. A, 54 (1996) 306).
Das Laserspektrum liefert Laserpulse in einem Frequenzbereich, dessen energetisches Äquivalent elektronischen Anregungsenergien von Quantenzuständen der abzutrennenden Moleküle entspricht (in 2 entsprechen dem nebenstehenden Laserpulsspektrum: v' = 12, 13 und 14). Die Moleküle werden durch Absorption von Laserpulsen in elektronisch angeregte Zustände gebracht, deren Schwingungsquantenzahl ungleich 1 ist. Nur ausreichend oberhalb des Grundzustandes sind die Schwingungsniveaus weit genug getrennt für eine selektive Anregung.
Die in Diagramm a) der 2 gezeigte Anregung erfolgt durch einen kurzen Puls mit einem breiten Spektrum, aus dem nur vereinzelte Frequenzen ausgewählt werden (vgl. 4).
Durch die sehr schnell aufeinanderfolgende Mehrfachanregung verteilen sich die internen Schwingungsmoden nicht um, es wird nur eine Mode angeregt. Diese schnell aufeinanderfolgenden Mehrfachanregungen demonstrieren den Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Verfahren aus der eingangs erwähnten US 5,827,405 wobei eine entsprechend lange Zeitdauer zwischen den einzelnen Anregungsschritten notwendig ist, um eine effektive Wiederkehr des Wellenpaktes zu erzielen.
Die Verwendung von kurzen Laserpulsen eines Femtosekundenlasers ist deswegen auch für große Moleküle besonders gut geeignet zur selektiven Anregung.
In den Diagrammen b) und c) der 2 erkennt man, dass die Anregungsspektren der durch Isotope gebildeten Moleküle nur geringfügig verschieden sind, hier liegen die Energieniveaus nur etwa fünf bis 10 Wellenzahlen auseinander. Die nur geringfügig unterschiedlichen Anregungsspektren der Isotope besitzen für dicht zusammenliegende Energieniveaus die gleichen Quantenzahlen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden aber auch chemisch unterschiedliche Moleküle voneinander getrennt, deren Energieniveaus mit unterschiedlichen Quantenzahlen so dicht zusammenliegen, dass sie durch herkömmliche Methoden nur schwer getrennt werden können.
Die 3 zeigt ein Diagramm des Verlaufs eines iterativen Prozesses zur Maximierung a) und Minimierung b) des Verhältnisses von ^39,39K₂ Isotopen zu ^39,41K₂ Isotopen in den aus einem K₂-Isotopengemisch extrahierten K₂-Atomen. Die x-Achse zählt die Iterationen, die y-Achse gibt die Rate der beiden Isotope zueinander an. Die natürliche Zusammensetzung der beiden K₂-Isotope beträgt etwa 6,8 Moleküle des leichteren Isotops zu einem Molekül des schwereren Isotops.
Diese Rate ist in 3 in einem Säulendiagramm SD1 dargestellt. Darin bezeichnet die mit 78 bezifferte Säule die Anzahl der ^39,39K Isotope und die mit 80 bezifferte Säule die Anzahl der ^39,41K Isotope. In den Diagrammen a) und b) dargestellt ist jeweils der Mittelwert einer Iteration mit mehreren Laserpulsen. Beide Verlaufsgraphen beginnen bei einer Zusammensetzung im Verhältnis 6,8 zu 1. Im Laufe der Optimierung durch den iterativen Prozess verändert sich das Verhältnis für beide Optimierungsfälle. Eine Konvergenz ist in beiden Fällen erst bei mehr als 150 Iterationen zu erkennen. Das Ergebnis ist in den Säulendiagrammen SD2 für die Maximierung und in dem Säulendiagramm SD3 für die Minimierung gezeigt. Bei der Maximierung wird ein Verhältnis von 72 zu 1 erreicht, bei der Minimierung ein Verhältnis von 0,51 zu 1.
Es ist auch möglich, bei der Modulation der Laserpulse nur die Phase zu modulieren. Dabei wurde in einem Versuch aber nur ein Faktor 2 zwischen dem minimierten und dem maximierten Verhältnis erreicht, während der Faktor bei der Modulation von Phase und Amplitude 140 beträgt. Reine Amplitudenmodulation ist ebenfalls möglich und lieferte im Versuch einen Faktor von etwa 80.
Die 4 zeigt ein durch einen iterativen Prozess optimiertes Laserpulsspektrum für die Maximierung a) und Minimierung b) des Isotopenverhältnisses zu den Diagrammen der 3a) und 3b) bei einer Laserlichtwellenlänge von 833 nm als Zentralwellenlänge. Auf der x-Achse ist jeweils die Frequenz in cm^–1 angegeben, auf der y-Achse die Intensität der jeweiligen Frequenz. Die Beschriftungen an den Peaks bezeichnen die schwingungsspezifischen Übergänge aus dem elektronischen Grundzustand in den angeregten A¹Σ_u ⁺ Zustand (bezeichnet mit v_A), sowie vom A¹Σ_u ⁺ Zustand in den (2)¹Π_g Zustand, bezeichnet mit v_Π. Dies zeigt die selektive Anregung nach 2a). Zwischen dem Spektrum der Maximierung a) und Minimierung b) sind Unterschiede zu erkennen. Die Peaks bei der Minimierung liegen im Vergleich zu denen der Maximierung um etwa 10 cm^–1 zu niedrigeren Frequenzen verschoben, so dass Frequenzbereiche mit hohen Intensitäten bei der Maximierung niedrigen Intensitäten bei der Minimierung entsprechen und umgekehrt. Die unterschiedlichen Laserformen für die beiden unterschiedlichen Prozesse erklärt die hohe Isotopenselektivität des Verfahrens.
Bei Versuchen, in denen die Laserpulsform nur in der Amplitude moduliert wurde, fehlen einige Peaks im niedrigfrequenten Teil des Spektrums. Dies lässt sich dadurch begründen, dass im Falle reiner Amplitudenmodulation die zeitliche Modulation des Pulses eingeschränkt ist und deshalb überwiegend direkte Anregungen in einem begrenzten Kernabstandsbereich ohne Einbeziehung der molekularen Dynamik erfolgt.
Die Einfügungen an den rechten oberen Ecken der beiden Diagramme zeigt die eingestellte Transmission für Elemente einer Flüssigkristall-Zeile wieder, wie sie für einen Pulsmodulator benutzt wurde, der den Laserpuls moduliert.
Die 5 zeigt ein durch einen iterativen Prozess optimiertes Laserpulsspektrum für die Maximierung a) und Minimierung b) des Isotopenverhältnisses zu den Diagrammen der 3a) und 3b). Diesmal wurden drei unterschiedliche Laserlichtwellenlängen mit einer Zentralwellenlänge von 810, 820 und 833 nm verwendet.
Die Diagrammbeschriftungen sind analog zu denen der 4. zusätzlich wurden im oberen Teil der Diagramme die Schwingungsniveaus der beiden Isotopenarten eingefügt, einmal für den Fall, dass die Isotope aus dem Grundzustand mit v'' = 0 durch den Laserpuls in den angegebenen Zustand angeregt wurden, und einmal für den Fall, dass die Isotope aus dem Zustand mit v'' = 1 in den angegebenen Schwingungszustand angeregt wurden. Im oberen Diagramm a) werden die Energieniveaus der leichteren ^39,39K₂ Isotope gezeigt, im unteren Diagramm b) die der schwereren ^39,41K₂ Isotope. Durch die Laserpulse werden also genau die Moleküle angeregt, die durch Mehrfachanregung ionisiert werden sollen, bis sie aus dem Isotopengemisch extrahiert werden.
Die Optimierung durch den iterativen Prozess liefert bei allen drei verwendeten Wellenlängen vergleichbare Ergebnisse. Dies zeigt die Unabhängigkeit des Verfahrens gegenüber Frequenzänderungen durch Laser mit unterschiedlichen Zentralwellenlängen. Das Verfahren kann also mit einer weitgehend beliebigen Laserwellenlänge für eine Vielzahl unterschiedlicher Moleküle durchgeführt werden.
Die 6 zeigt ein Diagramm einer XFROG-Spur (XFROG = Cross-correlated Freqeuncy Resolved Optical Gating) eines durch einen iterativen Prozess optimierten Laserpulses für die Maximierung a) und Minimierung b) des Isotopenverhältnisses zu den Diagrammen der 3a) und 3b). Die in 6 gewählte Abkürzung SFG steht für Sum-Frequenzy Generation. In beiden Fällen sind komplexe Pulsformen mit vielen Unterpulsen zu erkennen, die sich über mehrere Pikosekunden erstrecken. Dabei beträgt der Abstand der Unterpulse oftmals 250 fs, was einer halben Oszillationsperiode im A¹Σ_u ⁺ Zustand entspricht. Daher lässt sich aus 6 zurückschließen, wie sich der Anregungsprozess der Isotope ereignet hat. Eine genauere Berechnung ist vor dem iterativen Prozess nicht nötig. Der Prozess kann ohne genaue Vorberechnungen begonnen werden.
Die XFROG-Spur der 6 lässt darauf schließen, dass die Isotope schrittweise über den A¹Σ_u ⁺ Zustand angeregt wurden, wobei das zugehörige Wellenpaket am inneren Umkehrpunkt des Potentials generiert wird und innerhalb einer halben Oszillationsperiode zum äußeren Umkehrpunkt propagiert, an dem es dann weiter resonant angeregt wird. Die Wellenlängenverschiebung der zeitlich getrennten Unterpulse von bis zu 2 nm gibt Hinweise auf die sukzessive Anregung von spezifischen Schwingungsniveaus elektronischer Zustände auf dem Weg zur optimalen Ionisation. Der hauptsächliche Ionisationsweg verläuft wie in im Diagramm a) der 2 gezeigt. Dies erkennt man besonders gut in dem Minimierungsfall, wo zuerst die niedrigfrequenten Subpulse erscheinen (A¹Σ_u ⁺ <- X¹Σ_g ⁺ Übergang, vgl. 4b)) und dann die höherfrequenten (2¹Π_g ⁺ <- A¹Σ_u ⁺ Übergang, vgl. 4b)). Zusätzlich können auch destruktive und konstruktive Interferenzen der generierten Wellenpakete auftreten, wie eingangs erwähnt.
Die 7 zeigt ein Diagramm des Verlaufs eines iterativen Prozesses zur Maximierung a) und Minimierung b) des Verhältnisses von ³⁹K Isotopen zu ⁴¹K Isotopen in den aus einem NaK-Isotopengemisch extrahierten NaK-Molekülen. Die Verlaufdiagramme sind analog zu denen der 3 aufgebaut. Im Laufe der Optimierung ist eine Änderung des Verhältnisses für beide Optimierungsfälle zu beobachten. Konvergenz tritt bei beiden Fällen etwa nach 100 Iteration ein. Insgesamt zeigen die Diagramme für NaK eine Änderung des Isotopenverhältnisses um einen Faktor von etwa 70 zwischen Maximierung und Minimierung.
Auch hier kann die Trennung der Moleküle ohne vorherige Berechnung erfolgen, da der iterative Prozess einen zur Trennung geeigneten Laserpuls automatisch findet.
Die 8 zeigt ein Struktogramm eines Computerprogrammproduktes zur Einstellung eines Laserpulses zur Abtrennung von Molekülen durch einen iterativen Prozess.
Beginnend an Start 10 wird eine Laserpulsform vorgegeben. Diese wird an ein Steuerungsmittel 11 weitergegeben, das durch einen Laserpulsmodulator die Form eines Laserpulses moduliert. Der Laserpuls wird auf ein Gas eingestrahlt, aus dem einige Moleküle mehrfach angeregt und extrahiert werden. Die extrahierten Moleküle werden in einem Detektor gemessen und je nach Art der Moleküle gezählt. Beispielsweise werden zwei unterschiedliche Isotope eines Elements gezählt. Ebenso können aber andere Gemische von Molekülen mit ähnlichen Anregungsspektren getrennt werden, z. B. Proteine oder Nukleotide.
Der Detektor übermittelt die gemessene Daten an ein Auswertmittel 12, das die Zusammensetzung der sich durch ihr Anregungsspektrum unterscheidenden Moleküle bestimmt. Diese gemessene Zusammensetzung wird an ein Vergleichsmittel 13 übermittelt, dass die gemessene Zusammensetzung mit einer vorgegebenen Zusammensetzung vergleicht. Ist die gemessene Zusammensetzung hinsichtlich der vorgegebenen Zusammensetzung optimiert, also hat sich die gemessene Zusammensetzung innerhalb der letzten Iteration nicht mehr der vorgegebenen Zusammensetzung angenähert, so wird der iterative Prozess beendet. Das Vergleichmittel wählt beispielsweise bei einem evolutionären Algorithmus aus mehreren Laserpulsen nur die Laserpulse aus, bei denen die besten Zusammensetzungen von extrahierten Molekülen extrahiert wurden („Überleben der Fittesten”).
Hat sich jedoch die gemessene Zusammensetzung der vorgegebenen Zusammensetzung angenähert oder sich von ihr wegbewegt, so wertet ein Variationsmittel 14 die verwendete Laserpulsform aus, variiert sie beispielsweise nach einem evolutionären Algorithmus durch Mutation und/oder Überkreuzen und sendet die neue Laserpulsform an das Steuerungsmittel 11. Dies geschieht solange, bis das Vergleichsmittel 13 den Prozess abbricht.

Claims

Verfahren zur Trennung von Molekülen mit unterschiedlichen Anregungsspektren, die Bestandteile eines Gases bilden, das als Gasgemisch Moleküle enthält, die sich hinsichtlich ihrer Anregungsspektren unterscheiden, bei dem Moleküle extrahiert werden sollen, um eine vorgegebene Zusammensetzung der extrahierten Moleküle hinsichtlich ihres Anregungsspektrums zu erreichen, und bei dem die Moleküle des Gasgemisches derart mit Laserpulsen angeregt werden, dass Moleküle aufgrund mehrfacher Absorption von Energiequanten der Laserpulse in einen angeregten Zustand überführt werden, in dem sie aus dem Gas extrahiert werden, so dass die extrahierten Moleküle in einer durch die Form des Laserpulses bestimmten Zusammensetzung vorliegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse durch einen iterativen Prozess geformt werden, bei dem die Zusammensetzung der aus dem Gas extrahierten Moleküle gemessen und mit der vorgegebenen Zusammensetzung verglichen wird und der jeweilige Laserpuls in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der nach Absorption von Energiequanten extrahierten Moleküle hinsichtlich seiner Form variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des iterativen Prozesses zur Formung eines Laserpulses – der Laserpuls zum Anregen der Moleküle in das Gas eingestrahlt wird, und – der Laserpuls solange hinsichtlich seiner Form variiert und erneut in das Gas eingestrahlt wird, bis die Zusammensetzung der extrahierten Moleküle bezüglich der vorgegebenen Zusammensetzung optimiert ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserpuls solange hinsichtlich seiner Form variiert wird, bis durch weitere Variation der Form des Laserpulses keine weitere Annäherung an die vorgegebene Zusammensetzung erzielt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserpuls amplituden- und/oder phasenmoduliert ist und die Modulation des Laserpulses durch den iterativen Prozess verändert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der iterative Prozess und die Variation der Form des Laserpulses einem evolutionären Algorithmus folgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Moleküle des Gases nach Absorption eines ersten Energiequants des Laserpulses in elektronisch angeregte Quantenzuständen gebracht werden, die energetisch so über dem Schwingungsgrundzustand liegen, dass die von den angeregten Molekülen gebildeten Wellenpakete aufgrund ihrer molekülspezifischen, unterschiedlichen Anregungsspektren räumlich auseinanderlaufen und zur weiteren Anregung Energiequanten unterschiedlicher Energie benötigen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Moleküle selektiv durch den Laserpuls mehrfach so angeregt werden, dass sie extrahiert werden können.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Moleküle durch die mehrfache Anregung ionisiert werden oder in Rydberg-Zustände angeregt werden und durch elektromagnetische Felder ionisiert werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfach angeregten Moleküle durch elektromagnetische Felder oder chemisch extrahiert werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung der Laserpulse ein Femtosekundenlaser verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der temporären und spektralen Form der Laserpulse eine Laserpulsdetektionseinheit verwendet wird.
Vorrichtung zur Trennung von Molekülen mit unterschiedlichen Anregungsspektren, die als Gas (2) vorliegen, mit einem Laser zum Anregen der Moleküle durch Laserpulse (1), einem Pulsmodulator (4) zum Formen der Laserpulse des Lasers, einer Einrichtung zum Extrahieren mehrfach angeregter Moleküle aus dem Gas (2) und einem Detektor (3) zum detektieren der extrahierten Moleküle, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, die den Pulsmodulator (4) in einem iterativen Prozess so ansteuert, dass die Form der Laserpulse solange variiert wird, bis die vom Detektor detektierten extrahierten Moleküle eine Zusammensetzung aufweisen, die bezüglich einer vorgegebenen Zusammensetzung optimiert ist, und eine Auswerteinrichtung, die die vom Detektor detektierte Zusammensetzung extrahierter Moleküle unterschiedlicher Anregungsspektren auswertet und mit der Steuereinrichtung zusammenwirkt
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass – der Pulsmodulator (4) einzeln ansteuerbare Flüssigkristallelemente aufweist, die die Form der Laserpulse (1) modulieren, insbesondere die Phase und/oder Amplitude der Laserpulse, und – die Steuereinrichtung die einzelnen Flüssigkristallelemente des Pulsmodulators (4) ansteuert, um die Form der Laserpulse (1) zu variieren.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswert- und Steuereinrichtung ein Computerprogramm umfasst, das den iterativen Prozess steuert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der iterative Prozess einem evolutionären Algorithmus folgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenspektrometer (3), insbesondere in Form eines Quadrupolmassenspektrometers, zu Messung der Zusammensetzung der spezifischen Massen der extrahierten Moleküle vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ionendetektor zur Messung ionisierter Moleküle vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsmodulator in der Fourier-Ebene einer Gitteranordnung zur Herstellung von in Zeit und Frequenz geformten Laserpulsen angeordnet ist, um die Laserpulse zu formen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrostatische Abzugseinrichtung für entstehende Ionen vorgesehen ist, um mehrfach angeregte Moleküle zu extrahieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserpulsdetektionseinheit zur Bestimmung der temporären und spektralen Form des Laserpulses vorgesehen ist.
Computerprogramm zur Einstellung von Laserpulsen eines Lasers, mit dem Moleküle eines Gases bestrahlt werden, um die Moleküle in einen angeregten Zustand zu bringen, in dem sie aus dem Gas extrahiert werden können, mit einem Steuerungsmittel (11) zur Steuerung der Form der Laserpulse, gekennzeichnet durch – ein Auswertemittel (12) zur Auswertung einer gemessenen Zusammensetzung aus dem Gas extrahierter Moleküle mit unterschiedlichen Anregungsspektren und – ein Vergleichsmittel (13) zum automatischen Vergleichen der gemessenen Zusammensetzung mit einer vorgegebenen Zusammensetzung, wobei in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs das Steuerungsmittel (11) automatisch in einer weiteren Iteration eine Variation der Form der Laserpulse auslöst oder die Form der Laserpulse nicht verändert wird.
Computerprogramm nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Variationsmittel (14) die Form der Laserpulse variiert, wenn der Vergleich durch das Vergleichsmittel (13) ergibt, dass die gemessene Zusammensetzung nicht optimiert ist, und dass das Variationsmittel (14) Informationen über die Variation der Form der Laserpulse an das Steuerungsmittel (11) weiterleitet.
Computerprogramm nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der iterative Prozess einem evolutionären Algorithmus folgt.