TY  - THES
A1  - Heinrich, Robert
T1  - Multi-species gas detection based on an external-cavity quantum cascade laser spectrometer in the mid-infrared fingerprint region
T1  - Multikomponenten Gasdetektion basierend auf einem Externen-Kavitäts-Quantenkaskadenlaser im mittleren Infrarot-Fingerprint-Bereich
N2  - Laser spectroscopic gas sensing has been applied for decades for several applications
as atmospheric monitoring, industrial combustion gas analysis or fundamental research.
The availability of new laser sources in the mid-infrared opens the spectral fingerprint
range to the technology where multiple molecules possess their fundamental ro-vibrational
absorption features that allow very sensitive detection and accurate discrimination of
the species. The increasing maturity of quantum cascade lasers that cover this highly
interesting spectral range motivated this research to gain fundamental knowledge about
the spectra of hydrocarbon gases in pure composition and in complex mixtures as they
occur in the petro-chemical industry. The long-term target of developing accurate and fast
hydrocarbon gas analyzers, capable of real-time operation while enabling feedback-loops,
would lead to a paradigm change in this industry.
This thesis aims to contribute to a higher accuracy and more comprehensive understanding
of the sensing of hydrocarbon gas mixtures. This includes the acquisition of yet
unavailable high resolution and high accuracy reference spectra of the respective gases,
the investigation of their spectral behavior in mixtures due to collisional broadening of
their transitions and the verification of the feasibility to quantitatively discriminate the
spectra when several overlapping species are simultaneously measured in gas mixtures.
To achieve this knowledge a new laboratory environment was planned and built up to
allow for the supply of the individual gases and their arbitrary mixing. The main element
was the development of a broadly tunable external-cavity quantum cascade laser based
spectrometer to record the required spectra. This also included the development of a new
measurement method to obtain highly resolved and nearly gap-less spectral coverage as
well as a sophisticated signal post-processing that was crucial to achieve the high accuracy
of the measurements. The spectroscopic setup was used for a thorough investigation of
the spectra of the first seven alkanes as of their mixtures. Measurements were realized
that achieved a spectral resolution of 0.001 cm-1 in the range of 6-11 µm while ensuring an
accuracy of 0.001 cm-1 of the spectra and attaining a transmission sensitivity of 2.5 x 10-4
for long-time averaging of the acquired spectra.
These spectral measurements accomplish a quality that compares to state-of-the art
spectral databases and revealed so far undocumented details of several of the investigated
gases that have not been measured with this high resolution before at the chosen measurement
conditions. The results demonstrate the first laser spectroscopic discrimination of a
seven component gas mixture with absolute accuracies below 0.5 vol.% in the mid-infrared
provided that a sufficiently broad spectral range is covered in the measurements. Remaining
challenges for obtaining improved spectral models of the gases and limitations of the
measurement accuracy and technology are discussed.
N2  - Laserspektroskopie ist eine seit Jahrezehnten verbreitete Methodik zur Gasmessung.
Zu den Anwendungen zählen Atmosphärenuntersuchungen, die Analyse von industriellen
Verbrennungsgasen oder Grundlagenforschung der Gasspektren. Die Verfügbarkeit
neuer Laserquellen im mittleren Infrarotbereich eröffnet den sogenannten spektralen
"Fingerprint-Bereich", in welchem eine Vielzahl von Molekülen ihre spezifischen Rotations-
Vibrations-Grundschwingungen haben, und damit sehr genaue Konzentrationsbestimmung
und exakte Unterscheidung der Gase ermöglicht. Die zunehmende Reife von
Quantenkaskadenlasern motivierte diese Forschungsarbeit, um Grundlagenwissen über
pure Kohlenwasserstoffspektren und deren Mischungen, wie sie beispielsweise in der
petrochemischen Industrie auftreten, zu erlangen. Das langfristige Ziel der Entwicklung
eines hochgenauen und schnellen Analysators für Kohlenwasserstoffgemische, welcher
Echtzeit-Messungen und damit direkte Rückkopplungsschleifen ermöglicht, würde zu einem
Paradigmenwechsel in der Prozesskontrolle vieler Industriebereiche führen.
Diese Doktorarbeit leistet einen Beitrag für ein umfassenderes Verständnis und höhere
Genauigkeit der Messung von Kohlenwasserstoffgemischen. Dies beinhaltet die Aufnahme
bisher nicht verfügbarer hochaufgelöster und hochgenauer Referenzspektren der untersuchten
Gase, die Untersuchung ihres spektralen Verhaltens bei Stoßverbreiterung in
Mischungen und der quantitativen Unterscheidbarkeit, wenn Moleküle mit überlappenden
Spektren gleichzeitig gemessen werden. Um dieses Wissen zu erlangen, wurde ein
neuer Laboraufbau zur Untersuchung einzelner Gase sowie deren Gemische geplant
und aufgebaut. Die Hauptkomponente bildet eine weit abstimmbares Externe-Kavität-
Quantenkaskadenlaser-Spektrometer. Weitere Teile der Entwicklung waren zudem eine
neue Messmethodik, um hochaufgelöste und im untersuchten Spektralbereich nahezu
lückenlose Spektren zu erhalten, sowie eine umfangreiche Nachverarbeitung der Messdaten,
welche essentiell war, um die hohe Genauigkeit der Messungen zu ermöglichen.
Der Spektrometeraufbau wurde zur Untersuchung der Spektren der ersten sieben Alkane
und ihrer Mischungen verwendet. Die Messungen erreichen eine spektrale Auslösung von 0.001 cm-1 im Spektralbereich von 6-11 µm und garantieren gleichzeitig eine Genauigkeit
von 0.001 cm-1. Eine Sensitivität von 2.5x10-4 konnte durch das Mitteln mehrer
Messungen erreicht werden.
Die Qualität der Spektren ist damit vergleichbar zu aktuellen Spektren-Datenbanken und
zeigt zudem bisher undokumentierte Details in mehreren Spektren der gemessenen Gase
auf, welche unter den gewählten Messbedingungen bisher nicht so hochaufgelöst gemessen
wurden. Die Ergebnisse demonstrieren die erste laserspektrokopische Unterscheidung eines
Siebenkomponentengemisches von Kohlenwasserstoffen im mittleren Infrarotbereich mit
einer absoluten Konzentrationsgenauigkeit von unter 0.5 vol.% je Komponenten. Weitere
Herausforderungen zur Verbesserung spektraler Modelle der Gase sowie die Grenzen der
Messgenauigkeit und der verwendeten Technologie werden diskutiert.
KW  - Quantenkaskadenlaser
KW  - Laserspektroskopie
KW  - Absorptionsspektroskopie
KW  - Externer-Kavitäts-Quanten-Kaskaden-Laser
KW  - Laserabsorptionspektroskopie
KW  - Gasförmige Kohlenwasserstoffe
KW  - Gasgemisch
KW  - MIR-Spektroskopie
KW  - External-Cavity Quantum Cascade Laser
KW  - Laser absorption spectroscopy
KW  - Gaseous Hydrocarbons
KW  - Gas mixtures
KW  - MIR spectroscopy
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-268640
ER  - 
TY  - THES
A1  - Niklaus, Patrick
T1  - Adaptive Femtosekunden Quantenkontrolle chemischer Reaktionen in der flüssigen Phase
T1  - Adaptive femtosecond quantum control of chemical reactions in the liquid phase
N2  - Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Methode der adaptiven Pulsformung von Femtosekunden Laserpulsen in der flüssigen Phase experimentell zu realisieren. Eine Erweiterung dieser Technik auf die kondensierte Phase stellt einen wichtigen Schritt in Richtung einer breiten Anwendbarkeit zur Steuerung von chemischen Reaktionen dar. Die größere Teilchendichte im Vergleich zur Gasphase ermöglicht zum einen eine Erhöhung der erzielbaren absoluten Produktausbeuten. Andererseits ergibt sich erst dadurch die Möglichkeit, reale chemische Reaktionen, wie bimolekulare Reaktionen, gezielt zu steuern, da Stöße zwischen verschiedenen Molekülen wahrscheinlicher werden. Die Methode der adaptiven Quantenkontrolle ist für die Anwendung in der flüssigen Phase bestens geeignet, da sie eine kohärente Kontrolle von photoinduzierten molekularen Prozessen selbst in komplexen Quantensystemen erlaubt. In dieser experimentellen Umsetzung einer ,,geschlossenen Kontrollschleife'' wird die spektrale Phasenstruktur von fs-Laserpulsen in einem computergesteuerten Pulsformer moduliert. Der resultierende geformte Laserpuls wechselwirkt anschließend mit dem zu untersuchenden molekularen System und steuert aktiv die Entwicklung des erzeugten Wellenpakets auf der Potentialenergiefläche. Eine quantitative Messung der erzeugten Photoprodukte dieser Licht-Materie Wechselwirkung dient als Rückkopplungssignal eines selbstlernenden Computeralgorithmus. Der auf dem Prinzip der Evolutionstheorie arbeitende Algorithmus verbessert nun iterativ die Pulsform bis ein Optimum des gewünschten Reaktionskanals erreicht wird. Das modulierte elektrische Feld des Laserpulses passt sich somit entsprechend der gestellten Kontrollaufgabe automatisch den molekularen Eigenschaften an. Um jedoch die Anwendung dieser Technik auch in der kondensierten Phase zu demonstrieren, mussten Methoden zur Gewinnung eines Rückkopplungssignals gefunden werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher Möglichkeiten eines quantitativen Rückkopplungssignals für die adaptive Kontrolle in der flüssigen Phase untersucht, wie die Emissionsspektroskopie und die transiente Absorption im UV/VIS oder infraroten Spektralbereich. In einem ersten Experiment wurde die Emissionsspektroskopie verwendet, um einen Ladungstransferprozess (MLCT) in einem Ru(II)-Komplex ([Ru(dpb)3]2+) mit geformten fs-Laserpulsen zu steuern. Um die dominierende Intensitätsabhängigkeit der Anregung zu eliminieren, wurde die Emissionsausbeute mit dem SHG-Signal eines nichtlinearen Kristalls „normiert“. Diese Auslöschung des intensitätsabhängigen Faktors in beiden Prozessen ermöglichte es, Pulsformen zu finden, die dieses Verhältnis sowohl maximieren als auch minimieren. Ein Ansatz zur Erklärung der experimentellen Ergebnisse konnte mit Hilfe eines störungstheoretischen Modells beschrieben werden. In einem zweiten Experiment wurde erstmals eine photochemische Selektivität zwischen zwei verschiedenen Substanzen in der kondensierten Phase demonstriert. Dabei sollte die jeweilige Zwei-Photonen Anregung des Komplexes [Ru(dpb)3]2+ gegenüber dem Molekül DCM selektiv kontrolliert werden. Wiederum diente die spontane Emission beider Substanzen als Rückkopplungssignal für die Effektivität des Anregungsschritts. Verschiedene Ein-Parameter Kontrollmethoden, wie der Variation der Anregungswellenlänge, der Intensität sowie des linearen Chirps, konnten diese Kontrollaufgabe nicht erfüllen. Jedoch konnte eine Optimierung des Verhältnisses der beiden Emissionsausbeuten mit Hilfe der adaptiven Pulsformung erzielt werden. Das Ergebnis dieses Experiments zeigt, dass photoinduzierte Prozesse in zwei unterschiedlichen molekularen Substanzen trotz der Wechselwirkungen der gelösten Moleküle mit ihrer Lösungsmittelumgebung selektiv und simultan kontrolliert werden können. Das Ziel des dritten Experiments war eine gezielte Steuerung einer komplexeren chemischen Reaktion. Mit Hilfe der adaptiven Pulsformung konnte eine optimale Kontrolle der Photoisomerisierungsreaktion des Moleküls NK88 demonstriert werden. Das dazu benötigte Rückkopplungssignal für den evolutionären Algorithmus wird durch transiente Absorptionsspektroskopie im UV/VIS Spektralbereich bereitgestellt. Eine Untersuchung der Dynamik der Isomerisierungsreaktion mit Hilfe der Pump-Probe Technik erlaubte eine Zuordnung zweier verschiedener Absorptionsbereiche zu den jeweiligen Isomeren. Die Ergebnisse der Optimierung des Verhältnisses der Quantenausbeuten der beiden Isomere zeigten, dass die geformten Laserpulse eine Kontrolle der Effizienz der Photoisomerisierung in der flüssigen Phase ermöglichen. Zusammenfassend kann man sagen, dass im Rahmen dieser Arbeit mit Hilfe der fs-Lasertechnologie und der Technik der adaptiven fs-Quantenkontrolle Experimente durchgeführt wurden, die einen wichtigen Beitrag zu dem neuen Forschungsbereich der Femtochemie darstellen. Die Erweiterung dieser Technik auf die flüssige Phase beschreibt einen ersten Erfolg in Richtung einer neuartigen Chemie.
N2  - The goal of this work was to experimentally implement the technique of adaptive femtosecond quantum control of photoinduced reactions in solution. A successful experiment in the liquid phase would represent an important step towards an universal applicability to the control of chemical reactions. The sufficiently high particle densities available in solution allow the processing of macroscopic amounts of chemical substances. Additionally, only in the condensed phase the particle densities are high enough to achieve control for bimolecular synthetic-chemical applications. The technique of adaptive quantum control is most suitable for an application in the liquid phase, as it allows the coherent control of quantum-mechanical processes even in complex systems. In this experimental “closed-loop” setup, the spectral phase structure of fs laser pulses is modulated by a computer-controlled pulse shaper. The resulting shaped laser pulses then interact with the quantum system under consideration, where specific wavepacket dynamics is initiated. The quantitative detection of the generated photoproducts is used as feedback within a learning algorithm. Based on concepts of the evolution theory, this optimization algorithm iteratively improves the pulse-shaper settings until an optimum is reached. Thus the modulated electric field automatically “adapts” to the molecular properties according to the specified control objective. For a successful demonstration of an application of this technology to chemical reactions in the solution phase, suitable feedback signals have to be found. Hence in this work, suitable feedback signals were explored which can be used to probe the result of the solution phase photoreactions reliably and fast. Besides the emission spectroscopy, especially transient absorption techniques in the UV/visible or infrared spectral region turned out to be suitable for quantitatively detecting the quantum yields of the different photoproducts generated by a shaped laser pulse. In a first experiment, emission spectroscopy was employed to investigate the metal-to-ligand charge transfer (MLCT) in a Ru(II) coordination complex ([Ru(dpb)3]2 using adaptive fs pulse shaping. Using the spontaneous emission signal as feedback in the learning procedure, it was possible to control the MLCT excitation process. However, the MLCT excitation occurs via two-photon absorption and is therefore dominantly second-order intensity dependent. This trivial intensity dependence can be removed by using as a new feedback signal the ratio of the molecular response (here: emission) versus a purely optical signal of the same nonlinear order (here: SHG in a thin crystal). The resulting optimized laser pulse shapes were able to both maximize and minimize the ratio emission/SHG, thus proving that adaptive fs quantum control is sensitive to the electronic and vibrational properties of molecules under liquid-phase conditions. The results of this experiment could be understood within a simple perturbation theory model. In a second experiment, chemically selective molecular excitation of two distinct complex molecules (the MLCT-complex [Ru(dpb)3]2+ and the laser dye DCM) in solution was achieved employing shaped fs laser pulses. After two-photon absorption and excited-state dynamics, the spontaneous emission yields are again used as a measure for the excited-state populations in the feedback loop. The experiment was designed to ask if and how coherent light fields can be used to selectively excite one specific molecule (but not another one) within liquid-phase solute/solvent mixtures. Despite the failure of single-parameter approaches (variation of wavelength, intensity or linear chirp), an optimization of the emission yield ratio was successful employing adaptive quantum control. This experiment demonstrates that photoprocesses in two different molecular species can selectively be controlled simultaneously. The goal of a third experiment was the control of a more complex chemical reaction. The reaction type we chose to investigate and to control was the cis-trans isomerization of the molecular system NK88. We chose as feedback signal the ratio of cis-isomers in their ground state after the photoisomerization process to the amount of initially excited trans-isomers (i.e., the relative reaction yield). To determine these quantities, we recorded the transient absorption signal at two different wavelengths. By optimizing the ratio of the relative quantum yields of the two isomers, we demonstrated that the efficiency of the photoisomerization reaction can both be enhanced and reduced. In conclusion, in the context of this work experiments were performed employing the technology of fs laser pulses and adaptive quantum control, which represent an important contribution to the relatively new research field of femtochemistry. The successful transfer of this technique to the liquid phase constitutes a first step towards a new kind of chemistry.
KW  - Ultrakurzer Lichtimpuls
KW  - Femtosekundenbereich
KW  - Ausgangsmaterial
KW  - Flüssiger Zustand
KW  - Photochemische Reaktion
KW  - Kohärente Kontrolle
KW  - adaptive Quantenkontrolle
KW  - Femtosekunden
KW  - evolutionärer Algorithmus
KW  - Coherent control
KW  - adaptive quantum control
KW  - femtosecond
KW  - evolutionary algorithm
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-12855
ER  -