@phdthesis{Salffner2013,
  author    = {Salffner, Katharina},
  title     = {Entwicklung eines breitbandigen Cavity-Ring-Down-Spektrometers unter Verwendung nahinfraroter, inkoh{\"a}renter Strahlung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-68952},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2013},
  abstract  = {In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Spektrometer f{\"u}r die Analyse von Gasen bzw. Gasgemischen vorgestellt und deren Design, Aufbau, Charakterisierung und Optimierung beschrieben. Das Resultat der Optimierung und Weiterentwicklungen ist ein spektral breitbandiges Cavity-Ring-Down-Spektrometer (CRD-Spektrometer). Ausgangspunkt der hier vorgestellten Arbeit ist ein Spektrometer auf Basis klassischer Absorptionsspektroskopie in einer Multireflexionszelle. F{\"u}r dieses Spektrometer wurde als Strahlquelle ein Superkontinuumlaser verwendet. Der Vorteil dieses Spektrometers liegt in seiner Kompaktheit. Mit diesem Spektrometer wurden Absorptionsspektren von mehreren Reingasen und einem Gasgemisch {\"u}ber einen Wellenl{\"a}ngenbereich von 1500 nm - 1700 nm aufgenommen. Der qualitative Vergleich mit zu erwartenden Spektren, welche auf der HITRAN-Datenbank basieren, zeigte eine gute {\"U}bereinstimmung. Die quantitative Interpretierbarkeit der Daten war jedoch stark eingeschr{\"a}nkt aufgrund des hohen zuf{\"a}lligen und systematischen Fehlers der Messungen. Als Konsequenz aus der als nicht zufriedenstellend bewerteten quantitativen Interpretierbarkeit der Daten wurde eine alternative Messmethode gesucht, welche eine h{\"o}here Sensitivit{\"a}t und Genauigkeit erm{\"o}glicht. Die Wahl fiel auf die Cavity-Ring-Down-Spektroskopie, eine resonatorgest{\"u}tzte Variante der Absorptionsspektroskopie. Wesentliche Vorteile dieser Technik sind a) die Unabh{\"a}ngigkeit von Leistungsschwankungen der Strahlquelle, b) ein effektiver Absorptionsweg von bis zu mehreren Kilometern, welcher sich unmittelbar auf die Sensitivit{\"a}t der Messungen auswirkt, c) die Ermittlung absoluter Absorberkonzentrationen, ohne die Notwendigkeit einer Kalibrierung oder den Vergleich mit einer Referenzzelle und d) die Vernachl{\"a}ssigbarkeit von Absorptionen außerhalb des Resonators. Als notwendiger Zwischenschritt auf dem Weg zu einem breitbandigen CRD-Spektrometer wurde zun{\"a}chst ein monochromatisches CRD-Spektrometer designt, aufgebaut und charakterisiert. F{\"u}r die effektive Einkopplung von Strahlungsenergie in einen Resonator ist die Anpassung der Strahlparameter an die Mode des Resonators notwendig. Voraussetzung dieser Anpassung ist die Kenntnis der Strahlparameter, welche experimentell ermittelt wurden. Im Laufe des Aufbaus des Spektrometers ergab sich, dass trotz der Modenanpassung die Einkopplung der Strahlungsenergie in den Resonator gest{\"o}rt wurde. Daraufhin wurden systematisch m{\"o}gliche Ursachen dieser St{\"o}rung untersucht und das Spektrometer optimiert. Mit diesem optimierten Spektrometer wurden Spektren gemessen, welche sowohl qualitativ als auch quantitativ gut mit den zu erwartenden Spektren {\"u}bereinstimmen. Als Nachweisgrenze dieses Spektrometers wurde ein Wert f{\"u}r den Absorptionskoeffizienten alpha von 10^-8 cm-1 bestimmt. Mit dem monochromatischen CRD-Spektrometer war es zudem m{\"o}glich, isotopenspezifische Messungen durchzuf{\"u}hren. F{\"u}r das breitbandige Spektrometer wurde als Strahlquelle eine ASE-Diode (amplified spontaneous emission) verwendet. Dabei handelt es sich um eine inkoh{\"a}rente Strahlquelle. Mittels Messungen nach dem Prinzip der Cavity-Enhanced-Absorptionsspektroskopie wurde die generelle Funktionalit{\"a}t des resonatorgest{\"u}tzten Spektrometers {\"u}berpr{\"u}ft. Anschließend wurden die wellenl{\"a}ngenabh{\"a}ngigen Abklingsignale des leeren und des mit einem CO2-Luft-Gemisch gef{\"u}llten Resonators gemessen und ebenfalls mit den zu erwartenden Spektren verglichen. Qualitativ stimmen die experimentellen Spektren gut mit den zu erwartenden Spektren {\"u}berein. F{\"u}r die quantitative Interpretation der Daten wurde ein spezieller Algorithmus entwickelt, der die spektrale Aufl{\"o}sung des Systems ber{\"u}cksichtigt. Mit dem vorgestellten Spektrometer ist so die qualitative und quantitative Interpretation der Spektren m{\"o}glich. Die Nachweisgrenze des breitbandigen Cavity-Ring-Down-Spektrometers wurde zu einem Wert von alpha = 8x10^-7 cm-1 bestimmt. Der systematischen und der zuf{\"a}llige Fehler der Messungen lagen bei Werten von ca. 1\%. Bei diesem Spektrometer handelt es sich um einen Prototyp. Mittels Optimierung des Systems lassen sich sowohl der Wert der Nachweisgrenze als auch die Fehler der Messungen verbessern.},
  language  = {de}
}