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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-000723-6

New Enhanced Sensitivity Infrared Laser Spectroscopy Techniques Applied to Reactive Plasmas and Trace Gas Detection

  • Infrared laser absorption spectroscopy (IRLAS) employing both tuneable diode and quantum cascade lasers (TDLs, QCLs) has been applied with both high sensitivity and high time resolution to plasma diagnostics and trace gas measurements. TDLAS combined with a conventional White type multiple pass cell was used to detect up to 13 constituent molecular species in low pressure Ar/H2/N2/O2 and Ar/CH4/N2/O2 microwave discharges, among them the main products such as H2O, NH3, NO and CO, HCN respectively. The hydroxyl radical has been measured in the mid infrared (MIR) spectral range in-situ in both plasmas yielding number densities of between 1011 ... 1012 cm-3. Strong indications of surface dominated formation of either NH3 or N2O and NO were found in the H2-N2-O2 system. In methane containing plasmas a transition between deposition and etching conditions and generally an incomplete oxidation of the precursor were observed. The application of QCLs for IRLAS under low pressure conditions employing the most common tuning approaches has been investigated in detail. A new method of analysing absorption features quantitatively when the rapid passage effect is present is proposed. If power saturation is negligible, integrating the undisturbed half of the line profile yields accurate number densities without calibrating the system. By means of a time resolved analysis of individual chirped QCL pulses the main reasons for increased effective laser line widths could be identified. Apart from the well-known frequency down chirp non-linear absorption phenomena and bandwidth limitations of the detection system may significantly degrade the performance and accuracy of inter pulse spectrometers. The minimum analogue bandwidth of the entire system should normally not fall below 250 MHz. QCLAS using pulsed lasers has been used for highly time resolved measurements in reactive plasmas for the first time enabling a time resolution down to about 100 ns to be achieved. A temperature increase of typically less than 50 K has been established for pulsed DC discharges containing Ar/N2 and traces of NO. The main NO production and depletion reactions have been identified from a comparison of model calculations and time resolved measurements in plasma pulses of up to 100 ms. Considerable NO struction is observed after 5 ... 10 ms due to the impact of N atoms. Finally, thermoelectrically cooled pulsed and continuous wave (cw) QCLs have been employed for high finesse cavity absorption spectroscopy in the MIR. Cavity ring down spectroscopy (CRDS) has been performed with pulsed QCLs and was found to be limited by the intrinsic frequency chirp of the laser suppressing an efficient intensity build-up inside the cavity. Consequently the accuracy and advantage of an absolute internal absorption calibration is not achievable. A room temperature cw QCL was used in a complementary cavity enhanced absorption spectroscopy (CEAS) configuration which was equipped with different cavities of up to ~ 1.3 m length. This spectrometer yielded path lengths of up to 4 km and a noise equivalent absorption down to 4 x 10-8 cm-1Hz-1/2. The corresponding molecular concentration detection limit (e.g. for CH4, N2O and C2H2 at 1303 cm-1/7.66 μm) was generally below 1 x 1010 cm-3 for 1 s integration times and one order of magnitude less for 30 s integration times. The main limiting factor for achieving even higher sensitivity is the residual mode noise of the cavity. Employing a ~ 0.5 m long cavity the achieved sensitivity was good enough for the selective measurement of trace atmospheric constituents at 2.2 mbar. (A paperback version is published by Logos under ISBN 978-3-8325-2345-9.)
  • Im Rahmen dieser Arbeit wurden hochempfindliche und hochzeitaufgelöste Untersuchungen an reaktiven molekularen Plasmen und Spurengasmessungen mittels Infrarotlaser-Absorptionsspektroskopie (IRLAS) durchgeführt. Als Lichtquellen fanden durchstimmbare Diodenlaser und die erst seit einigen Jahren verfügbaren Quantenkaskadenlaser (engl. Abk.: QCL) Verwendung. IRLAS mittels Bleisalzlasern wurde angewendet, um molekulare Teilchendichten von bis zu 13 verschiedenen Molekülen in Ar/H2/N2/O2- und Ar/CH4/N2/O2-Niederdruck-Mikrowellenplasmen zu quantifizieren. Das OH-Radikal konnte erstmals mit dieser Technik im mittleren Infrarotbereich (MIR) in einem Plasma nachgewiesen werden. Weiterhin fanden sich deutliche Hinweise auf eine von Oberflächenreaktionen dominierte Bildung der Hauptmoleküe im H2-N2-O2-Modellsystem. Für methanhaltige Plasmen wurde ein Übergang von beschichtenden zu schichtabtragenden Bedingungen sowie eine generell unvollständige Oxidation von CH4 festgestellt. Die Anwendung bekannter Durchstimmverfahren für QCLs wurde hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit unter Niederdruckbedingungen detailliert untersucht. Dabei konnte ein Ansatz zur quantitativ korrekten und kalibrierfreien Auswertung verfälschter Absorptionslinien entwickelt werden. Die automatische schnelle Frequenzdurchstimmung in gepulsten QCLs führt zu nichtlinearen Absorptionserscheinungen. Sofern keine Sättigungserscheinungen vorliegen, lässt sich aus dem ungestörten Teil des Linienprofils (kalibrierfrei) eine Teilchendichte ableiten, deren systematischer Fehler unterhalb der üblichen Messfehler liegt. Weiterhin wurden einzelne Laserpulse während der Durchstimmung des QCLs mittels Stromrampe zeitaufgelöst analysiert. Neben der automatischen Frequenzdurchstimmung werden Genauigkeit und Empfindlichkeit der Methode stark durch die nichtlinearen Absorptionseffekte und üblicherweise vernachlässigte Bandbreitenbeschränkungen des Detektionssystems reduziert. Im Spektrum äußert sich dies durch asymmetrische Linien und eine scheinbar extrem große effektive Laserlinienbreite. Basierend auf den Voruntersuchungen zu gepulsten QCLs konnten zeitaufgelöste IRLAS Messungen in einer gepulsten DC-Entladung durchgeführt werden. Die Zeitauflösung war nach unten durch die Laserpulsweite von ca. 100 ns beschränkt. Im letzten Teil der Arbeit wurde das Potential zur Kombination thermoelektrisch gekühlter QCLs mit optischen Resonatoren untersucht. Hierbei kamen gepulste Laser (für die Cavity-Ring-Down-Spektroskopie - CRDS) und kontinuierlich betriebene (cw) QCLs (für die Cavity-Enhanced-Absorptions-Spektroskopie - CEAS) im MIR zum Einsatz. Die Frequenzdurchstimmung gepulster QCLs verhindert ebenfalls einen sinnvollen Einsatz im Rahmen der (gepulsten) CRDS. Im Gegensatz dazu konnten cw QCLs erfolgreich mit der CEAS-Methode eingesetzt werden. Mit Resonatorlängen bis zu 1.3 m wurden effektive Absorptionsweglängen von bis zu 4 km und eine bandbreitennormierte Empfindlichkeit von 4 x 10-8 cm-1Hz-1/2 erreicht. (Eine Taschenbuchausgabe ist im Logos Verlag unter ISBN 978-3-8325-2345-9 erschienen.)

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Metadaten
Author: Stefan Welzel
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000723-6
Title Additional (German):Diagnostik reaktiver Plasmen und Spurengasmessungen mittels neuer hochempfindlicher Methoden der Infrarotlaser-Spektroskopie
Advisor:Prof. Dr. Jürgen Röpcke
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2009/11/18
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2009/10/09
Release Date:2009/11/18
Tag:Cavity-Enhanced-Absorptionsspektroskopie
Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy, Cavity Ring-Down Spectroscopy, Plasma Chemistry, Plasma Surface Interaction, Quantum Cascade Laser
GND Keyword:Cavity-Ring-Down-Spektroskopie, Infrarotabsorption, Plasma-Wand-Wechselwirkung, Plasmachemie, Quantenkaskadenlaser
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:00.00.00 GENERAL / 07.00.00 Instruments, apparatus, and components common to several branches of physics and astronomy (see also each subdiscipline for specialized instrumentation and techniques) / 07.57.-c Infrared, submillimeter wave, microwave and radiowave instruments and equipment (for infrared and radio telescopes, see 95.55.Cs, 95.55.Fw, and 95.55.Jz in astronomy; for biophysical spectroscopic applications, see 87.64.-t) / 07.57.Ty Infrared spectrometers, auxiliary equipment, and techniques
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.55.-f Lasers / 42.55.Px Semiconductor lasers; laser diodes
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.40.-w Plasma interactions (nonlaser) / 52.40.Hf Plasma-material interactions; boundary layer effects
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.70.-m Plasma diagnostic techniques and instrumentation
80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 82.00.00 Physical chemistry and chemical physics; Electronic structure theory of atoms and molecules, see 31.15.-p; Electronic structure theory of condensed matter, see section 71; Electronic structure theory for biomolecules, see 87.10.-e; Electronic structure of / 82.20.-w Chemical kinetics and dynamics