Chemically selective microspectroscopy with broadband shaped femtosecond laser pulses

In dieser Arbeit wird ein neuer, umfassender Ansatz für nichtlineare Spektroskopie im Fokus eines Mikroskops vorgestellt. Dabei wird Laserstrahlung mit gezielt geformten Femtosekunden-Impulsen verwendet. Das grundlegende Konzept ist die Funktionalisierung der Femtosekunden-Laseranregung, um eine Reihe von Multiphotonen-Spektroskopie-Methoden in ein und demselben Aufbau umzusetzen, und für die mikroskopische Bildgebung verfügbar zu machen. Die wichtigste Methode dabei ist kohärente anti-Stokes Raman Streuung (CARS), die das Vibrationsspektrum einer Probe nutzt, um sie chemisch spezifisch zu identifizieren. Der hier verfolgte Ansatz stellt eine immense Vereinfachung von CARS-Spektroskopie dar. Dabei wird zum einen ein Schema zur sehr rasche Spektrenaufnahme und quantitativen Analyse komplexer Mehrkomponenten-Spektren vorgestellt, das auf der Anpassung eines physikalischen Modells mittels eines evolutionären Algorithmus basiert. Zudem werden neue Methoden entwickelt, die zum Beispiel CARS-Messungen in die Zeitdomäne verlagern und in der Tat die Molekülschwingungen zeitaufgelöst verfolgen. Das wird nur dadurch möglich, dass durch kohärente Kontrolle mit in Phase, Amplitude und Polarisation geformten Anregungsimpulsen die Licht-Materie-Wechselwirkung auf quantenmechanischem Niveau gezielt beeinflusst wird. Auf diese Weise können die Laserimpulse selbst mit spektroskopischen Funktionen versehen werden. Es wird gezeigt, dass diese funktionale „photonische Integration“ noch weiter getrieben werden kann, indem auch interferometrische Detektion ohne weitere optische Bauelemente durch Formung der Anregungsimpulse verwirklicht wird. Dies vereinfacht Experimente deutlich und erhöht gleichzeitig die Empfindlichkeit von CARS drastisch um mehr als drei Größenordnungen. Zusätzlich zu diesen neu entwickelten Konzepten werden für die Verwirklichung notwendige technische Neuentwicklungen vorgestellt, darunter die Erzeugung von Breitband-Femtosekunden-Impulsen in mikrostrukturierten Fasern und deren genaue Charakterisierung und Kompression durch eine neue, Impulsformer-basierte Variante der SPIDER-Methode. In der Anwendung der neuen Spektroskopietechniken werden Beispiele gezeigt, die von der quantitativen chemischen Bildgebung von Polymer-Blends, über die selektive Detektion von Markermolekülen für biologische Kampfstoffe(Anthrax) bis zu ersten analytischen Anwendungen bei der Messung chemischer Zusammensetzungen in einer mikrofludischen Zelle.