DE1547217C - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines invertierten Raman-Spektrums - Google Patents

Description

optische Anordnung gemäß der Erfindung zur Erzielung der notwendigen Fokussierung in dem Behälter.

Gemäß F i g. 1 sendet ein getriggerter Rubin-5 Laser I mit einer Leistung in der Größenordnung von etwa 10 Megawatt ein Bündel sehr starken monochromatischen und kohärenten Lichtes zu der Konvexlinse 2, die das Bündel in dem Inneren eines Behälters 3 fokussiert. Dieser Behälter 3 enthält ein rein

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Erzeugung eines invertierten
Raman-Spektrums einer zu untersuchenden Substanz,
durch die das Studium der Molekularstruktur einer
solchen Substanz ermöglicht wird.

Das gewöhnliche Raman-Spektrum (nichtkohärentes, diffuses Licht) und das angeregte Raman-Spektrum (mit Hilfe von Lasern erhaltenes kohärentes,
diffuses Licht) lassen sich nur bei der Emission beobachten, während das sogenannte »invertierte Ra- io monoatomares oder polyatomares Gas oder ein GaS-

man-Spektrum«, das ein zu der angeregten Emission gemisch, das auf einen oberhalb des atmosphärischen

entgegengesetztes Verfahren darstellt, bei der Ab- Druckes liegenden Druck komprimiert ist. Gas und

sorption beobachtet wird. Das invertierte Raman- Gasdruck (der in bestimmten Fällen mehrere hunr

Spektrum entsteht nur, wenn in der untersuchten dert Atmosphären erreichen kann) sind so gewählt, Substanz gleichzeitig ein intensives kontinuierliches 15 daß das Gas unter der Einwirkung des Laserbündels

Spektrum sowie eine monochromatische Linie von ein sehr stark kontinuierliches Spektrum aussendet,

sehr hoher Intensität vorhanden sind. das insbesondere in dem der Laserlinie benachbarten

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung Spektralbereich liegt. Ein Gas, das sich als beson-

eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die es er- ders geeignet für die Erzeugung eines solchen kontimöglichen, ein invertiertes Raman-Spektrum einer zu 20 nüierlichen Spektrums erwiesen hat, ist Krypton, das

untersuchenden Substanz zu erhalten, die besser als unter einem Druck von zehn Atmosphären steht; an

bisher den verschiedenen Wünschen der Praxis ent- Stelle von Krypton kommt ebenfalls die Verwendung

sprechen. von Xenon in Betracht.

Ein Verfahren zur Erzeugung eines invertierten Am Ausgang des Behälters 3 erhält man dann ein Raman-Spektrums einer zu untersuchenden Substanz 25 starkes kontinuierliches Spektrum, das von der abkennzeichnet sich daher erfindungsgemäß dadurch, geschwächten Laserlinie begleitet ist. Wenn diese daß mit Hilfe eines getriggerten Lasers ein mono- nicht so ausreichend abgeschwächt ist, daß (bei der chromatisches Lichtbündel sehr großer Intensität aus- Emission) in der zu untersuchenden Substanz das gesandt, dieses Bündel mindestens einmal in einem Auftreten des angeregten Raman-Effektes vermieden Behälter fokussiert wird, der ein Gas enthält, das auf 30 wird, so nimmt man mit Hilfe einer Konvexlinse 4 einen oberhalb des atmosphärischen Druckes liegen- in einem Behälter 5 eine zweite Fokussierung vor. den Druck komprimiert ist, und durch dieses Gas ein Der Behälter 5 enthält vorzugsweise dasselbe Gas wie intensives, kontinuierliches, vom Infrarot bis zum der Behälter 3, wobei vorzugsweise auch sonst ähn-Ultraviolett reichendes und im wesentlichen mit dem liehe Bedingungen herrschen wie in dem Behälter 3. Laserstrahl synchronisiertes Spektrum emittiert 35 Die Dauer des Aufblitzens des aus kontinuierlichem wird, daß ferner die Energie des Laserstrahls durch Spektrum und im richtigen Maße abgeschwächter Hindurchleiten des Laserstrahls durch den mit korn- Laserlinie zusammengesetzten Lichtbündels ist nicht primiertem Gas gefüllten Behälter auf einen unter- größer als etwa hundert Nanosekunden, obwohl das halb des Schwellwertes, bis zu dem in der zu Unter- kontinuierliche Spektrum allein eine längere Abklingsuchenden Substanz die Emission eines angeregten 40 zeit hat, die nur einen geringen Anteil seiner Gesamt-Raman-Spektrums möglich ist und in der Nähe dieses intensität betrifft. Das kontinuierliche Spektrum und Schwellwertes liegenden Wert abgeschwächt wird, die Laserlinie sind überdies praktisch synchronisiert, daß dann das aus kontinuierlichem Spektrum und Darauf wird das zusammengesetzte Lichtbündel abgeschwächtem Laserstrahl zusammengesetzte Licht- durch-die Konvexlinse 6 in dem (beispielsweise 5 cm bündel in der zu untersuchenden Substanz fokussiert 45 langen) Behälter 7 mit der zu untersuchenden Sub- und hierauf das austretende, das invertierte Raman- stanz fokussiert. An der Ausgangsseite des Behälters Spektrum enthaltende Lichtbündel auf den Eingangs- ist ein Diffusor 8 angeordnet, dessen Bild mit Hilfe spalt eines Spektrographen projiziert wird. der Konvexlinse 9 auf den Eintrittsspalt eines Spek-Ferner kennzeichnet sich eine besonders vorteil- trographen 10 abgebildet wird, so daß das invertierte hafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs- 50 Raman-Spektrum der zu untersuchenden Substanz gemäßen Verfahrens dadurch, daß in Richtung des beobachtet werden kann.

Strahlenganges vor dem Behälter mit der zu unter- Um die Absorptionslinien stärker zu machen, kann suchenden Substanz ein optisches System mit Kon- man das zusammengesetzte Lichtbündel in an sich vexlinsen und totalreflektierenden Prismen, ferner bekannter Weise anstatt nur einmal auch mehrfach in hinter dem Behälter ein Hohlspiegel angeordnet ist, 55 dem Behälter mit der zu untersuchenden Substanz der das Lichtbündel mindestens einmal in den Be- fokussieren, wozu der Behälter dann mit einem behälter zurückwirft, und daß in den Strahlengang des sonderen optischen System ausgerüstet ist. Die Fig. 2 nach der gewünschten Anzahl von Durchläufen durch zeigt eine solche Anordnung, die vier Durchgänge und den Behälter aus dem einen der beiden totalrefiektie- Fokussierungen des Lichtbündels in dem Behälter la renden Prismen austretenden Lichtbündels der Ein- 60 (der beispielsweise eine Länge von 50 cm hat) ertrittsspalt des Spektrographen geschaltet ist. möglicht. Die Konvexlinse 6a (die die Linse 6 der Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nach- Fig. 1 ersetzt) fokussiert das zusammengesetzte stehend im Zusammenhang mit der Zeichnung be- Lichtbündel das erste Mal in dem Behälter la an schrieben werden. In der Zeichnung zeigt dem Punkt I. Nachdem das Bündel (dessen Grenz-Fig. 1 schematisch eine Möglichkeit zur Durch- 65 strahlen jeweils durch einen einfachen Pfeil angedeuführung des Verfahrens nach der Erfindung, tet sind) den Behälter la das erste Mal durchlaufen Fig. 2 schematisch einen Behälter mit der darin hat, wird es von einem metallisierten Hohlspiegel 11 befindlichen zu untersuchenden Substanz sowie eine reflektiert, so daß das (durch zwei Pfeile angedeutete)

iäündel ein zweites Mal durch den Behälter Ta waniert und dort an dem Punkt II fokussiert wird. Nach iieser zweiten Fokussierung läuft es durch das totaleflektierende Prisma 13 hindurch. Von dem Prisma 3 aus wird es ein drittes Mal durch den Behälter Ta indurchgeleitet (Kennzeichnung mit drei Pfeilen) :nd an dem Punkt III fokussiert. Das Strahlenbündel rifft dann von neuem auf den Hohlspiegel 11 auf und Ατά von diesem zurückgeworfen, so daß es ein vieres Mal durch den Behälter Ta hindurchläuft (Kenneichnung mit vier Pfeilen) und an dem Punkt IV akussiert wird. Das Totalreflexionsprisma 14 wirft chließlich das Bündel, nach seinem letzten Durchauf durch den Behälter, zu dem Eintrittsspalt des ,pektrographen.

Das invertierte Raman-Spektrum konnte in einer gestimmten Anzahl organischer Flüssigkeiten beob- ;chtet werden. Dieses Spektrum ist — im Gegensatz u den Verhältnissen bei der Emission — auf der ieite der Frequenzen, die oberhalb der Laserfrequenz egen (sogenannte Raman-Anti-Stokes-Frequenzen), tärker ausgebildet. Darüber hinaus wurde im Zusamienhang mit der Erfindung ein bisher nicht beobchtetes Phänomenon festgestellt: Bei bestimmten toffen, wie Benzol und Schwefelkohlenstoff im flüsigen Zustand, tritt im Bereich der unterhalb der .aserfrequenzen liegenden Frequenzen (sogenannte ^!.aman-Stokes-Frequenzen) eine sehr starke Absorp- :on auf, was eine neue Art eines Raman-Absorptionsorganges darstellt.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung eines invertierten Raman-Spektrums einer zu untersuchenden Substanz, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines getriggerten Lasers (1) ein monochromatisches Lichtbündel sehr großer Intensität ausgesandt, dieses Bündel mindestens einmal in einem Behälter (3, 5) fokussiert wird, der ein Gas enthält, das auf einen oberhalb des atmosphärisehen Druckes liegenden Druck komprimiert ist, und durch dieses Gas ein intensives, kontinuierliches, vom Infrarot bis zum Ultraviolett reichendes und im wesentlichen mit dem Laserstrahl synchronisiertes Spektrum emittiert wird, daß ferner die Energie des Laserstrahls durch Hindurchleiten des Laserstrahls durch den mit komprimiertem Gas gefüllten Behälter (3, 5) auf einen unterhalb des Schwellwertes, bis zu dem in der zu untersuchenden Substanz die Emission eines angeregten Raman-Spektrums möglich ist und in der Nähe dieses Schwellwertes liegenden Wert abgeschwächt wird, daß dann das aus kontinuierlichem Spektrum und abgeschwächtem Laserstrahl zusammengesetzte Lichtbündel in der zu untersuchenden Substanz (7) fokussiert und hierauf das austretende, das invertierte Raman-Spektrum enthaltende Lichtbündel auf den Eingangsspalt eines Spektrographen (10) projiziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtbündel in mehreren hintereinander angeordneten Behältern (3, 5) mit auf oberhalb des atmosphärischen Druckes liegenden Druck komprimiertem Gas fokussiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zusammengesetzte Lichtbündel mehr als einmal durch einen die zu untersuchende Substanz enthaltenden Behälter (Ta) hindurchgeleitet und bei jedem Durchgang einmal fokussiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl mit einer in der Größenordnung von mindestens 10 Megawatt liegenden Stärke verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Füllung eines Behälters (3, 5) mit Gas Krypton verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Füllung eines Behälters (3, 5) mit Gas Xenon verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfüllung unter einem Druck von 10 Atmosphären steht.

8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung des Strahlenganges vor dem Behälter (Ta) mit der zu untersuchenden Substanz ein optisches System mit Konvexlinsen (6 a, 12) und totalreflektierenden Prismen (13,14), ferner hinter dem Behälter (7 a) ein Hohlspiegel (11) angeordnet ist, der das Lichtbündel mindestens einmal in den Behälter (7 a) zurückwirft, und daß in den Strahlengang des nach der gewünschten Anzahl von Durchläufen durch den Behälter (7 a) aus dem einen (14) der beiden totalreflektierenden Prismen (13, 14) auftretenden Lichtbündels der Eintrittsspalt des Spektrographen geschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen