{"id":4975,"date":"2022-12-28T19:10:58","date_gmt":"2022-12-28T18:10:58","guid":{"rendered":"https:\/\/martin.elvers.website\/?p=4975"},"modified":"2022-12-28T19:22:44","modified_gmt":"2022-12-28T18:22:44","slug":"coherent-anti-stokes-raman-scattering-cars","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/martin.elvers.website\/en\/coherent-anti-stokes-raman-scattering-cars\/","title":{"rendered":"Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS)"},"content":{"rendered":"

CARS ist eine seit Jahrzehnten bekannte Spektroskopiemethode, die insbesondere beim Studium von Verbrennungsvorg\u00e4ngen wie etwa in Triebwerken und Automotoren zum Einsatz kam. Der CARS-Effekt ist ein nichtlinearer Effekt dritter Ordnung. Hierbei kreuzen sich zwei Laserstrahlen (Pump-Strahl \u03c9P<\/sub> und Stokes-Strahl \u03c9S<\/sub>) in einem Medium und der Antistoke\u2019sche Strahl \u03c9aS<\/sub> wird erzeugt. Damit kann basierend auf den Raman-Auswahlregeln die chemische Struktur, die Temperatur und der Druck bestimmt werden.<\/p>\n\n\n\n

Bisher waren diese Experimente kompliziert und erforderten teure fs-Laseranordungen. Leukos hat nun einen Wei\u00dflichtlaser entwickelt, der den Aufbau von kosteng\u00fcnstigen, leicht zu bedienenden und schnell justierbaren\u00a0Breitband-CARS-Systemen\u00a0erm\u00f6glicht.<\/p>\n\n\n\n

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CARS\/Raman Setup<\/h3>\n\n\n\n
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In der oberen Abbildung wird der schematische Aufbau unseres CARS-Systems gezeigt, das mit einem High-Performance-Raman System von Renishaw gekoppelt ist. Als Anregung f\u00fcr CARS dient eine Superkontinuum Quelle von Leukos bestehend aus einem sub-ns gepulsten microChip-Laser (Nd:YAG @ 1064nm) und einer photonischen Kristallfaser (PCF). Ein Teil des Strahls geht in die PCF, die den Puls spektral auf 400 bis 2000nm verbreitert, wobei mittels Langpassfilter Wellenl\u00e4ngen <1064 nm abgeblockt werden die ansonsten das Anti-Stokes-Signal \u00fcberlagern w\u00fcrden. Der \u00fcbrige langwelligere Anteil >1064nm stellt die Breitband-Stokesquelle dar. Der schmalbandige Pumpstrahl wird in eine Verz\u00f6gerungsstrecke eingestrahlt, um den Wegl\u00e4ngenunterschied der PCF zu kompensieren. Mit einem dichroitischen Spiegel werden die beiden Strahlen \u00fcbereinandergelegt. F\u00fcr andere Prozesse, wie stimulierter Raman Effekt oder stimulierter CARS Effekt, k\u00f6nnten diese Anteile jedoch zum Einsatz kommen. Via Objektiv wird auf die Probe fokussiert und so das CARS-Signal im Durchlicht erzeugt. Das Licht wird mit dem Objektiv des \u203aRaman Renishaw inVia\u2039 aufgefangen und mittels Spektrometer und CCD des Raman-Systems analysiert.<\/p>\n\n\n\n

Auf diese Weise durchl\u00e4uft das CARS-Signal denselben Strahlengang wie das Raman-Signal. Dabei erm\u00f6glicht ein sekundenschneller motorisierter Wechsel der Filtersets im Raman-System es dem Anwender ortsgleiche und nahezu zeitgleiche CARS- und Raman-Messungen durchzuf\u00fchren. Dadurch kann ein unmittelbarer Vergleich beider Methoden erfolgen und direkt entschieden werden, welches Messverfahren zielf\u00fchrerender ist.<\/p>\n\n\n\n

CARS im Vergleich zu Raman<\/h3>\n\n\n\n

CARS-Messungen sind aufgrund der Nichtlinearit\u00e4t deutlich st\u00e4rker als Raman-Messungen bei vergleichsweise \u00e4hnlichen Parametern. Das gilt vor allem f\u00fcr starke Raman-Streuer und eingeschr\u00e4nkt f\u00fcr die schwachen. Die Nichtlinearit\u00e4t des CARS-Effekts f\u00fchrt ebenfalls zu einer h\u00f6heren \u00f6rtlichen Aufl\u00f6sung, was in der unteren Grafik verdeutlicht wird. Bei Objektiven mit 20x Vergr\u00f6\u00dferung erreicht man mit CARS einen Faktor \u22484 an besserer Tiefen-Aufl\u00f6sung als mit Raman, wobei die hier gezeigte Aufl\u00f6sung durch den Probenaufbau limitiert ist. Mit geeigneten Objektiven lassen sich Aufl\u00f6sungen erreichen, die deutlich im sub-\u03bc-Bereich liegen und nicht der Abbe’schen Aufl\u00f6sungsbeschr\u00e4nkung unterliegen.<\/p>\n\n\n\n

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Zus\u00e4tzlich ist das Anti-Stokes-Signal blau geshiftet und somit kurzwelliger als die eingestrahlten Laser. Im Gegensatz zu Raman entfallen dadurch bei CARS st\u00f6rende Fluoreszenzeffekte die sich ansonsten mit dem Signal \u00fcberlagern w\u00fcrden. Durch intensivere CARS-Signale k\u00f6nnen Messzeiten, bei gleichzeitiger Erh\u00f6hung der Aufl\u00f6sung, drastisch reduziert und dadurch schnelle 2D- und 3D-Mappings an dynamischen Prozessen realisiert werden, wie z.B. Konzentrationsmessungen in Mikrokan\u00e4len.<\/p>\n\n\n\n

Ein Nachteil ist jedoch die Interferenz mit einem nichtresonanten Untergrund bedingt durch nicht-resonante Vier-Photonen-Wechselwirkung, wodurch die Linienform ver\u00e4ndert und die Analyse der Spektren erschwert wird. Durch Anwendung mathematischer Verfahren kann dieser korrigiert oder experimentell mithilfe von Polarisationstechniken unterdr\u00fcckt werden.<\/p>\n\n\n\n

Dazu eignet sich vorallem Folded BoxCARS, bei dem der Pump-Strahl in zwei Strahlen aufgespalten wird. Das f\u00fchrt zu einer weiteren Einengung des Streuvolumens bedingt durch die kleinere \u00dcberlappung der Strahlen. Mit dieser Methode k\u00f6nnen noch h\u00f6here Ortsaufl\u00f6sungen erreicht werden, womit Volumina im attoliter-Bereich untersucht werden k\u00f6nnen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem r\u00e4umlich von den anderen Strahlen getrennten Anti-Stokes-Strahl, was die spektrale Analyse bez\u00fcglich der Wahl der Filter vereinfacht.<\/p>\n\n\n\n

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CARS-Spektren und Mappings von einer sterbenden Hefezelle einem Fadenwurm (C. Elegans) und von Schweinehaut
<\/strong>Beispiel f\u00fcr schnelles Mapping zur Darstellung der Formgebung basierend auf ausgew\u00e4hlten Raman-Banden.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
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Wegen des neuartigen Aufbaus und der reduzierten Kosten sehen wir neben dem oben genannten Studium von Verbrennungsvorg\u00e4ngen ganz neue Anwendungsm\u00f6glichkeiten:<\/p>\n\n\n\n