Non-collinear optical parametric oscillator for stimulated Raman spectroscopy in real-time

Abstract

Stimulated Raman spectroscopy is a powerful chemical analysis technique that provides information about the investigated material composition by selectively stimulating a molecular vibrational transition. Like a fingerprint, the Raman spectra of various molecules differ. In contrast to spontaneous Raman spectroscopy, which is based on inelastic scattering with low efficiency, stimulated Raman spectroscopy is a coherent process. The simultaneous irradiation of two laser beams under the condition that their difference frequency is exactly the same as the transition frequency of the molecule excites the vibrational state with high probability. The intensity change of the input radiation provides information about the strength of the Raman transition. To interrogate broad spectral regions, a light source with a tunable wavelength is required.

In this dissertation, a non-collinear optical parametric oscillator (NOPO) is evaluated for stimulated Raman spectroscopy. The light source is characterized by its particularly fast and narrowband tuning behavior. It allows real-time recording of Raman spectra over a large wavenumber range of more than 2000 cm-1 in 8 ms. In this work, the required phase matching conditions in the nonlinear crystal, as well as the influence of the dispersion on the output spectra, are discussed in detail.

Furthermore, the NOPO in combination with stimulated Raman spectroscopy allows real-time observation of mixtures of substances. For instance, the change of a water-alcohol mixture is monitored live. Furthermore, microplastic particles are detected. The tiny plastic particles are ubiquitous in our modern society. Nevertheless, there is a lack of reliable and consistent detection methods. The NOPO proves to be a promising light source to analyze samples for microplastics in real-time without extensive preparation. In this work, along with macroscopic plastic samples, moving 50 – 160 µm sized polyamide particles were detected directly in a water-filled cuvette.

Die stimulierte Ramanspektroskopie ist ein leistungsfähiges, chemisches Analyseverfahren, welches durch gezielte Anregung eines molekularen Vibrationsübergangs Informationen über die zu untersuchende Materialzusammensetzung liefert. Wie ein Fingerabdruck unterscheiden sich die Ramanspektren verschiedener Moleküle. Im Gegensatz zur spontanen Ramanspektroskopie, welche auf inelastischer Streuung mit geringem Wirkungsgrad basiert, handelt es sich bei der stimulierten Ramanspektroskopie um einen kohärenten, physikalischen Prozess. Durch die gleichzeitige Einstrahlung zweier Laserstrahlen und der Bedingung, dass deren Differenzfrequenz genau der Übergangsfrequenz des Moleküls entspricht, wird der Vibrationszustand mit hoher Wahrscheinlichkeit angeregt. Die Intensitätsänderung der Eingangsstrahlung gibt Aufschluss über die Stärke des Ramanübergangs. Zum Abfragen breiter Spektralbereiche wird eine Lichtquelle mit verstimmbarer Wellenlänge benötigt.

Im Rahmen dieser Dissertation wird ein nicht-kollinearer optisch parametrischer Oszillator (NOPO) für die stimulierte Ramanspektroskopie erprobt. Die Lichtquelle zeichnet sich durch ihr besonders schnelles und schmalbandiges Durchstimmverhalten aus. Sie erlaubt die Echtzeitaufnahme von Ramanspektren über einen großen Wellenzahlbereich von mehr als 2000 cm-1 in 8 ms. Die erforderlichen Phasenanpassungsbedingungen im nichtlinearen Kristall, sowie der Einfluss der Dispersion auf die Ausgangsspektren werden detailiert in dieser Arbeit behandelt.

Darüber hinaus erlaubt der NOPO in Kombination mit der stimulierten Ramanspektroskopie die Echtzeitbeobachtung von Stoffgemischen. So wird die Veränderung eines Wasser-Alkohol-Gemisches live überwacht. Ferner können Mikroplastikpartikel nachgewiesen werden. Die winzigen Plastikteilchen sind in unserer modernen Gesellschaft allgegenwärtig. Trotzdem fehlt es an zuverlässigen und einheitlichen Detektionsmethoden. Der NOPO erweist sich als vielversprechende Lichtquelle, um Proben ohne große Aufbereitung in Echtzeit auf Mikroplastik zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neben makroskopieschen Plastikproben sich bewegende 50 bis 160 µm große Polyamidpartikel direkt in einer wassergefüllten Küvette detektiert.