Entwicklung von Methoden zur Verstärkung des Raman-Streueffektes in komplexen Gasgemischen (Gas Sensors)

Für eine robuste und zuverlässige Analyse von komplexen Gasgemischen und deren spezifische Quantifizierung ist die bestehende Technik nicht empfindlich genug umzusetzen. Hierfür bietet sich die Raman-Spektroskopie als schnelle und selektive Methode an, die mit einem Lasersystem alle molekularen Gase detektieren kann. Die Problematik ist der niedrige Streuquerschnitt in Kombination mit der geringen Dichte von Gasen, was zu ungenügenden Nachweisgrenzen führt. Als Lösung wird hier die Entwicklung von Methoden zur Verstärkung des Raman-Streueffektes erforscht. Dazu wird jeweils ein System zur Leistungsüberhöhung im Resonator und zur Interaktionsstreckenverlängerung in einer photonischen Kristallfaser entworfen, aufgebaut und evaluiert. Bei der Verstärkung im Resonator wird eine Fabry-Pérot-Kavität auf einen schmalbandigen Diodenlaser mit selbst entwickelter externer Kavität angepasst. Stabilisiert wird der Resonator mit einem Pound-Drever-Hall Lock, der für eine langzeitstabile Messung bei konstanter interner Leistung sorgt. Die Faserverstärkung erfolgt mit einer photonischen Kristallfaser und einer Kagomé-Faser, deren photonische Bandlücken simultane Gas- und Lichtführung gestatten. In Fallstudien werden zwei Anwendungen erläutert. Zum einen ist das die Überwachung von Lebensmittelketten durch eine Detektion von Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, Stickstoff und Ethen. Zum anderen die Brenngasqualitätsmessung über den Wobbe-Index eines natürlichen Erdgases, bestehend aus Methan, Ethan, Propan, Butan, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid.