Prinzip der Fluoreszenzkonversionsspektroskopie

Ein Fluoreszenzaufkonvertierungsexperiment stellt prinzipiell eine Kreuzkorrela-tion zwischen Fluoreszenzlicht und einem intensiven Laserpuls dar [204,205,206, 207,208,209,210]. Die zu untersuchende Probe wird mit einem Laserpuls der Fre-quenz ωPump elektronisch angeregt und die dabei entstehende inkoh¨arente Fluo-reszenz der Frequenz ω_Fl wird gesammelt und zusammen mit einem intensiven Laserpuls, dem sogenannten Gatepuls (

”Torpuls“) der Frequenz ω_Gate, in einen optisch-nichtlinearen Kristall fokussiert. Sind die Phasenanpassungsbedingungen erf¨ullt, so entsteht bei zeitlicher und r¨aumlicher ¨Uberlagerung beider Wellen im Kristall die Summen- bzw. Differenzfrequenz ω_S. Bei Erzeugung der Summenfre-quenz wird das Experiment als Up-Conversion bezeichnet, im anderen Fall als Down-Conversion.

4.4. FLUORESZENZKONVERSIONSSPEKTROSKOPIE 57 Die Phasenanpassungsbedingungen f¨ur die Summenfrequenzerzeugung, die in die-ser Arbeit verwendet wurde, lauten f¨ur die Fluoreszenzaufkonvertierung:

ω_S =ω_Fl+ω_Gate bzw. (4.7)

~k_S =~k_Fl+~k_Gate. (4.8)

Dabei bezeichnen~kS,~kFl und~kGate die jeweiligen Wellenvektoren. Es handelt sich bei diesen Bedingungen um die durch ~dividierten Erhaltungss¨atze der Energie und des Impulses.

Da die Summenfrequenz nur dann erzeugt wird, wenn sich Fluoreszenz und Pumppuls gleichzeitig im Kristall ¨uberlagern, kann nun der zeitliche Fluoreszenz-intensit¨atsverlauf erfaßt werden, indem der Gatepuls bez¨uglich der Fluoreszenz zeitlich variiert und somit nacheinander der gesamte Fluoreszenzverlauf abgeta-stet wird (siehe dazu Abbildung4.5 zum Prinzip eines FUC-Experimentes). Dies ist m¨oglich, weil die Intensit¨at der Summenfrequenz proportional zur Korrelati-onsfunktion der Fluoreszenzintensit¨at mit der Intensit¨at des Gatepulses ist:

I_S(τ)∝ Z ∞

−∞

I_Fl(t)I_Gate(t−τ)dt. (4.9) Der Gatepuls fungiert somit als ein zeitliches Tor, wodurch die Fluoreszenz-konversionsspektroskopie das optische Analogon zur elektronischen Boxcartech-nik darstellt.

Abbildung 4.5: Prinzip eines Fluoreszenzkonversionsexperimentes.

Realisierung der Phasenanpassungsbedingungen

Im Falle der kollinearen Phasenanpassung, wie sie in dieser Arbeit verwendet wurde, reduziert sich Gleichung 4.8 zu:

n_S

λ_S = n_Fl

λ_Fl +n_Gate

λ_Gate, (4.10)

wobei n die jeweiligen Brechungsindizes bei den entsprechenden Wellenl¨angen λ bezeichnen [205]. Ein Weg diese Phasenanpassungsbedingung zu erf¨ullen besteht darin, die Doppelbrechungseigenschaften von anisotropen, h¨aufig uniaxialen Kri-stallen auszunutzen. Sie zeichnen sich dadurch aus, daß die Brechungsindizes von der Ausbreitungsrichtung und Polarisation der einfallenden Welle bez¨uglich der optischen Achse ~cabh¨angen. Die beiden Wellen werden als ordentliche (o) bzw.

außerordentliche (ao) Wellen bezeichnet, wobei beide Wellen senkrecht zueinander polarisiert sind und deren Brechungsindizes mit no bzw. nao bezeichnet werden.

In einem uniaxialen Kristall (d. h. Kristalle mit nur einer optischen Ach-se), wie dem in dieser Arbeit verwendeten β-Bariumborat-Kristall (BBO), gilt n_x =n_y =n_o bzw.n_z =n_ao, wenn z die Richtung der optischen Achse~c

wenn θ den Einfallswinkel des Lichtes zur optischen Achse beschreibt und i f¨ur die unterschiedlichen Wellen steht (S, Fl und Gate).

Die Phasenanpassungsbedingungen (Gleichung 4.7 bzw. 4.10) lassen sich wei-terhin nicht erf¨ullen, wenn alle drei Wellen im Kristall die gleiche Polarisation besitzen. Unter der Bedingung, daß einer der Strahlen als außerordentliche Welle durch den Kristall propagiert, l¨aßt sich jedoch ein Winkelθ_m finden, f¨ur den die Phasenanpassungsbedingungen erf¨ullt sind.

Beim verwendeten BBO-Kristall handelt es sich um einen negativ uniaxialen Kri-stall, d. h. es gilt n_ao < n_o. Bei genauerer Betrachtung l¨aßt sich zeigen, daß bei solchen Kristallen die Phasenanpassung nur zu erreichen ist, wenn die erzeug-te Summenfrequenz eine außerordentliche Welle ist. Es werden zudem zwei ver-schiedene Typen der Phasenanpassung unterschieden. Im Falle der sogenannten Typ I - Phasenanpassung sind die beiden einfallenden Lichtwellen gleicher Pola-risation (o + o → ao), wohingegen im Falle der Typ II - Phasenanpassung die einfallenden Wellen orthogonal zueinander polarisiert sind (o + ao → ao bzw.

ao + o → ao).

F¨ur den in dieser Arbeit benutzen Fall der Typ I - Phasenanpassung l¨aßt sich nun der gesuchte Phasenanpassungswinkel θm berechnen:

sin²θ_m= n⁻²_S (θ_m)−n⁻²_o,S

n⁻²_ao,S−n⁻²_o,S , (4.12)

4.4. FLUORESZENZKONVERSIONSSPEKTROSKOPIE 59 wobein_S(θ_m) gegeben ist als:

n_S(θ_m) =n_{o, Fl}λ_S

λ_Fl +n_{o, Gate} λ_S

λ_Gate. (4.13)

F¨ur diesen Winkel θ_m bez¨uglich der optischen Achse des Kristalls sind die gefor-derten Phasenanpassungsbedingungen exakt erf¨ullt.

Die Umwandlungseffektivit¨at η_q f¨ur die Summenfrequenzerzeugung l¨aßt sich f¨ur diesen Fall unter Anwendung einiger N¨aherungen angeben als:

η_q = I_S

I_Gate = 2π²d²_effL²I_Fl

c ε³₀λ_Flλ_Sn_{o, Fl}n_{o, Gate}n_S(θ_m). (4.14) Dabei bezeichnet I die jeweiligen eingestrahlten Intensit¨aten, deff den effektiven nichtlinearen Koeffizienten des Kristalls, L die Dicke des Kristalls, c die Licht-geschwindigkeit undε₀ die absolute Dielektrizit¨atskonstante des Vakuums [206].

Akzeptanzwinkel und spektrale Bandbreite

Die obigen Ableitungen gelten streng nur f¨ur die Phasenanpassung ∆~k = ~kS −

~k_Fl − ~k_Gate = 0. Sie ist jedoch nicht immer exakt erf¨ullt.

Die durch den Pumppuls erzeugte Fluoreszenz strahlt in alle Raumrichtungen ab und kann folglich auch nur mit einem bestimmten Raumwinkel in den Kristall fokussiert werden, so daß die in den Kristall eintretende Fluoreszenz mit den Wellenvektoren~kFl eine starke Streuung der Einstrahlungswinkel aufweist [207].

Es kann also keine exakt kollineare Einstrahlungsgeometrie f¨ur die gesamte Fluo-reszenz gew¨ahrleistet werden. Diese Umst¨ande f¨uhren dazu, das es zu einer Si-tuation der sogenannten Phasenfehlanpassung (Phase Mismatch) kommt, d. h.

∆~k =~k_S − ~k_Fl − ~k_Gate 6= 0. Das hat negative Auswirkungen auf die Umwand-lungseffektivit¨at im Kristall [206,207,208], sie reduziert sich zu:

η_q(∆~k) =η_q· sin²(∆~kL/2)

(∆~kL/2)² . (4.15)

Eine effektive Umwandlungseffektivit¨at kann daher nur innerhalb eines gewissen Akzeptanzwinkels des Kristalls erfolgen. Dieser Akzeptanzwinkel ∆θ ist definiert als der Winkel in der die Phasenfehlanpassung weniger alsπ /2 betr¨agt. Es gilt:

∆θ= 4π

Desweiteren f¨uhrt die große spektrale Bandbreite der Fluoreszenz dazu, daß die Phasenanpassungsbedingungen im Kristall nicht immer f¨ur alle Strahlungsanteile

perfekt erf¨ullt sein k¨onnen. Analog den obigen ¨Uberlegungen kann f¨ur die spek-trale Bandbreite ∆ω des Kristalls definiert werden [207]:

∆ω= π

Sie umfaßt den Bereich, in dem die Energie des aufkonvertierten Lichtes auf 4/π² der urspr¨unglichen Intensit¨at abgesunken ist. Der Kristall wirkt also als ein frequenzselektives Element.

Zeitaufl¨osung

Die Zeitaufl¨osung in einem FUC-Experiment ist prinzipiell durch die zeitliche Breite des Pump- und vorrangig des Gate-Pulses gegeben [204,209].

Bei Messungen im Femtosekundenbereich kann diese minimal erreichbare Zeitauf-l¨osung durch die sogenannte Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD, Group Velocity Dispersion) verschlechtert werden. Diese Gruppengeschwindigkeits-dispersion resultiert aus den optischen Elementen im Strahlengang und kann beschrieben werden als:

Die GVD bewirkt, daß die Pulse einen sogenannten Chirp besitzen, d. h. die niederfrequenten Strahlungsanteile eilen den h¨oherfrequenten zeitlich voraus, so daß die Pulse zeitlich verl¨angert und in der Frequenz

”verschmiert“ sind. Der st¨orende Effekt der GVD kann weitestgehend umgangen werden, indem reflektive Optiken verwendet werden, d. h. Parabolspiegel anstatt Linsen.

Ein weiteres Problem stellt die sogenannte Gruppengeschwindigkeitsfehl-anpassung (GVM, Group Velocity Mismatch) dar. Sie r¨uhrt aus unterschied-lichen Fortbewegungsgeschwindigkeiten der einzelnen Frequenzen im Aufkonver-tierungskristall her. Unterschiedliche Frequenzen laufen bildlich gesprochen an-einander vorbei und bewirken so die zeitliche Verbreiterung der erzeugten Sum-menfrequenz. Die Gruppengeschwindigkeit v_g bei einer Wellenl¨ange λ₀ wird be-schrieben als:

Im Falle der hier verwendeten Typ I - Phasenanpassung kann die aus der Gruppen-geschwindigkeitsfehlanpassung resultierende zeitliche Verbreiterung beschrieben werden als:

4.4. FLUORESZENZKONVERSIONSSPEKTROSKOPIE 61 Um die zeitliche Verbreiterung durch die Gruppengeschwindigkeitsfehlanpassung m¨oglichst gering zu halten, sollten m¨oglichst d¨unne Aufkonvertierungskristalle eingesetzt werden. Es ist daher ein Kompromiß zwischen erreichbarer Zeitauf-l¨osung und Umwandlungseffizenz des Aufkonvertierungsprozesses zu finden.

4.4.2 Experimenteller Aufbau

Der schematische Versuchsaufbau des im Rahmen dieser Arbeit aufgebauten Fluoreszenzkonversionsexperimentes (FUC, Fluorescence Up-Conversion) ist in Abbildung 4.6 dargestellt. Das FUC-Experiment wird mit 25 % der aus dem CPA-2001 zur Verf¨ugung gestellten Laserleistung betrieben. Der bei einer Wellen-l¨ange von 775 nm zentrierte Laser wird zun¨achst mit einem Galilei-Teleskop um einen Faktor 3 bez¨uglich seines urspr¨unglichen Strahldurchmessers von 1.5 cm verkleinert und anschließend in einem nichtlinearen Kristall (BBO, d = 1 mm, θ = 30.15^◦) mit einer Effizienz von ca. 50 % frequenzverdoppelt, so daß Pulse bei 387.5 nm mit einer Energie von 0.1 mJ zur Verf¨ugung stehen. Diese ultravioletten Pulse werden mittels eines dielektrischen Spiegels (HR 390 nm, HT 780 nm / 45^◦ unpol.) vom restlichen, unverdoppelten Licht abgetrennt.

Das ultraviolette Licht, welches im Experiment als Pumpwelle fungiert, pas-siert eine als Attenuator (Abschw¨acher) bezeichnete Kombination aus λ/2-Verz¨ogerungsplatte und Polarisator (beide AR 400 nm), welche es erm¨oglicht un-abh¨angig voneinander Polarisationszustand und Energie der Pumpwelle einzu-stellen. Das Licht wird danach mit einer Quarzlinse (f = 100 mm) in eine ther-mostatierbare Meßk¨uvette (Hellma, 165-QS, Schichtdicke 1 mm) fokussiert, wobei die Meßk¨uvette auf einer exzentrisch bewegten K¨uvettenhalterung befestigt ist, die mit ca. 20 Hz rotiert, so daß jeder Laserschuß auf zuvor ungepumpte Meß-l¨osung trifft [27]. Auf diese Weise k¨onnen auch bei geringen Probenvolumina Ausbleich- und/oder Aufheizeffekte vermieden werden. Die Temperatur in der Meßk¨uvette wird mit einem Thermostaten (Julabo, Ultratemp 2000) auf±0.5^◦C konstant gehalten. Ein m¨oglichst großer Teil der entstehenden, r¨aumlich ungerich-teten Fluoreszenz wird mit einem Off-Axis-Parabolspiegel geringer Brennweite und damit großem ¨Offnungswinkel gesammelt und kollimiert (Janos, Alumini-um, 90^◦-Off-Axis, f = 50.8 mm). Um restliches Pumplicht abzutrennen wird ein Gr¨unglasfilter (Schott, GG420, 1 mm) in den Strahlengang der Fluoreszenz ge-bracht. Anschließend wird die Fluoreszenz ¨uber einen Umlenkspiegel geleitet, der mit einem Loch zur Abtrennung verbleibender Pumpstrahlung und gleichzeiti-gen Einkopplung des Gate-Pulses in den Strahlengang versehen ist. Mittels eines weiteren Parabolspiegels (Janos, Aluminium, 90^◦-Off-Axis, f = 101.6 mm) wird die Fluoreszenz in den Aufkonvertierungskristall (BBO, d = 1 mm, θ = 34.2^◦) fokussiert. Die Fokussierung erfolgt hierbei mit m¨oglichst großer Brennweite, um innerhalb des Akzeptanzwinkels des nichtlinearen Kristalles zu bleiben und

so-λ/2

λ/2

Abbildung 4.6: Schematischer Aufbau des Fluoreszenzkonversionsexperimentes.

L1: f = 150 mm, L2: f = −50mm, L3: f = 100 mm, L4: f = 100 mm, PS1: f = 50.8 mm, PS2: f = 101.6 mm, PS3: f = 76.2 mm, Pol1: Polarisator (AR 800 nm), Pol2: Polarisator (AR 400 nm), BBO1: SHG-Kristall, BBO1: Up-Conversion-Kristall, ST: Strahlteiler, VB: Verschiebeb¨uhne, MZ: Meßzelle, SL:

Spiegel mit Loch, PM: Photomultiplier.

mit eine hohe Umwandlungseffizienz zu erreichen (siehe Kapitel 4.4.1). Um die kritische Justage des Fluoreszenzlichtes zu erleichtern, ist es essentiell, die Para-bolspiegel auf xyz- bzw. xy-B¨uhnen (Newport, M460A) zu montieren.

Das restliche, unverdoppelte Laserlicht bei 775 nm wird als Gatepuls im FUC-Experiment verwendet. Es durchl¨auft zun¨achst eine variable Verz¨ogerungsstrecke (Physik Instrumente, Verschiebeb¨uhne M410-DG; Controller C-844), ¨uber welche die Zeitverz¨ogerung zwischen Fluoreszenz und Gatepuls im nichtlinearen Kristall variiert werden kann. Der Gatepuls wird dabei zweimal ¨uber die B¨uhne geleitet, um so den zur Verf¨ugung stehenden Meßbereich auf ca. 1.3 ns zu verdoppeln (in Abbildung4.6nicht dargestellt). Ein weitererAttenuator erm¨oglicht auch hier die unabh¨angige Einstellung von Polarisationszustand und Energie (AR 800 nm). Der Gatepuls wird ¨uber den Spiegel mit Loch in den Strahlengang der Fluoreszenz kollinear eingekoppelt und mit derselbigen ¨uber den zweiten Parabolspiegel in den nichtlinearen Kristall fokussiert, in dem bei geeigneter Winkelstellung nun die Summenfrequenzerzeugung stattfindet. Dazu ist der Kristall auf einer drehbaren Halterung mit Winkelskala befestigt.

Die aus dem Kristall hinaustretende Strahlung wird mit einem weiteren Pa-rabolspiegel (Janos, Aluminium, 90^◦-Off-Axis, f = 76.2 mm) parallelisiert und durch ein Prisma zur Abtrennung des restlichen Fluoreszenz- und Gatelich-tes gef¨uhrt (Quarz, α = 68^◦). Mit einer Quarzlinse (f = 100 mm) wird das aufkonvertierte Licht in einen Monochromator (Beckmann, Brennweite f = 160 mm, Gitter = 600 Linien / mm,λBlaze= 310 nm, reziproke lineare Disper-sion = 11 nm / mm) fokussiert. Vor dessen Eintrittsspalt befindet sich ein

Glas-4.4. FLUORESZENZKONVERSIONSSPEKTROSKOPIE 63 filter (Schott, UG11, 1 mm) zur Unterdr¨uckung von Streu- und Umgebungslicht.

Der Monochromator dient zur weiteren Unterdr¨uckung von Streulicht und deswei-teren im Zusammenhang mit der Winkelstellung des nichtlinearen Kristalles zur Frequenzselektion des jeweiligen aufkonvertierten Fluoreszenzlichtes. Die Detek-tion erfolgt mit einem Photomultiplier (Hamamatsu, 1P28, 9 Dynoden, Betriebs-spannung = 1250 V) mit elektronischer Verst¨arkung und Integratorschaltung. Die gesamte Steuerung des Meßablaufes, sowie die Datenaufnahme geschieht von ei-nem Personal-Computer aus, der mit einer AD-Wandlerkarte (Data-Translation, DT 3016, 16 Bit) ausgestattet ist. Das verwendete Computerprogramm f¨ur den korrekten Ablauf der Messungen wurde dabei in der Umgebung VEE Onelab (Agilent Technologies) geschrieben.

4.4.3 Charakterisierung des Meßsystems

Eine spektrale Kalibration des FUC-Experimentes ist aufgrund der vielen unbe-stimmbaren Parameter, insbesondere der empfindlichen Abh¨angigkeit der gemes-senen Intensit¨aten von der jeweiligen Justage, nicht m¨oglich. Es k¨onnen daher im FUC-Experiment lediglich relative Intensit¨aten gemessen werden. Die Gewich-tung der Fluoreszenzkinetiken kann anhand der station¨aren Emissionsspektren erfolgen, wenn gew¨ahrleistet ist, daß der dynamische Stokes-Shift im betrachte-ten Zeitfenster abgeschlossen ist. Da dies im untersuchbetrachte-ten System nicht der Fall ist, fand eine Gewichtung ¨uber zeitaufgel¨oste Spektren bei einer festen Verz¨ oge-rungszeit von ca. 500 ps statt, die im TCSPC-Experiment erhalten wurden (siehe Kapitel5.4.3).

Um das zeitliche Aufl¨osungsverm¨ogen der FUC-Apparatur abzusch¨atzen, wurde eine Intensit¨atskreuzkorrelation zwischen Anregungspuls und Gatepuls aufgenom-men. Der experimentelle Aufbau mußte zu diesem Zweck nicht ver¨andert werden, da aus dem Anregungspuls resultierendes Streulicht f¨ur eine Aufnahme der Kreuz-korrelation ¨uber Summenfrequenzerzeugung mit dem Gatepuls bereits ausreichte.

Daher ist die gemessene Kurve repr¨asentativ f¨ur den verwendeten experimentel-len Aufbau. Eine Gauß-Anpassung der gemessenen Kreuzkorrelation ergibt eine Halbwertsbreite von τ_FWHM = 300 fs (siehe Abbildung 4.7). Sie kann als ein un-teres Limit der Zeitaufl¨osung betrachtet werden. Die tats¨achliche Zeitaufl¨osung ist zudem frequenzabh¨angig, daher ging die Halbwertsbreiteτ_FWHM nicht explizit bei der Anpassung der gemessenen Kinetiken ein, sondern wurde als anpaßbarer Parameter behandelt. Auch der zeitliche Nullpunkt der Kinetiken wurde ¨uber die Anpassung bestimmt. Siehe dazu Kapitel 5.4.3.

Abbildung 4.7:Intensit¨atskreuzkorrelation der Anregungspulse und der Gatepulse mit gaußf¨ormiger Anpassung.

4.4.4 Meßprozedur

In Erg¨anzung zu den TCSPC-Messungen zur Untersuchung der Solvatations-dynamik an Lipidmembran/Wasser-Grenzschichten wurden analoge Experimente mit dem FUC-Experiment zur Untersuchung der ultraschnellen Dynamik durch-gef¨uhrt.

Da das FUC-Experiment aufgrund seines relativ ineffizienten, nichtlinearen Fre-quenzmischprozesses eine hohe Fluoreszenzintensit¨at ben¨otigt, wurde das Sy-stem Laurdan/DMPC/Wasser mit einer h¨oheren Farbstoffkonzentration als im TCSPC-Experiment hergestellt (c_DMPC = 20 mM, n_DMPC/n_Laurdan = 100 : 1).

Um im FUC-Experiment Kinetiken mit einem zufriedenstellenden Signal/Rausch-Verh¨altnis zu erhalten, ist es notwendig ausreichend weit entfernt von der Misch-frequenz zwischen Anregungs- und Gatepuls zu detektieren, da in diesem Bereich ein starker Streustrahlungsuntergrund vorliegt, so daß das Signal nicht mehr ge-gen¨uber dem Rauschhintergrund diskriminiert werden kann. Daher ist man auf gen¨ugend große Fluoreszenz Stokes-Shifts angewiesen, um die Solvatationskorre-lationsfunktion mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmen. Es konnte daher im FUC-Experiment die Solvatationsdynamik nur innerhalb der fl¨ussig-kristallinen Phase der Membranen bestimmt werden.

4.4. FLUORESZENZKONVERSIONSSPEKTROSKOPIE 65 Es wurden Kinetiken im Temperaturbereich von T = 25 bis 60^◦C im Abstand von 5^◦C aufgenommen. F¨ur jede dieser Temperaturen wurden 17 Kinetiken im Bereich von 268 bis 325 nm gemessen, entsprechend Fluoreszenzwellenl¨angen von 410 bis 560 nm im Abstand von 10 nm. F¨ur jede dieser Kinetiken wurden im Zeit-bereich von −100 bis 1000 ps 277 Meßpunkte aufgenommen. Um die relevanten Zeitbereiche zu betonen, wurde mit einem diskontinuierlichem Punktabstand ge-arbeitet. Im Bereich von−100 bis −6 ps betrug der Punktabstand 2 ps. Um den Anfangsteil der Kinetiken besser bestimmen zu k¨onnen, wurde von −6 bis 10 ps ein Punktabstand von 0.2 ps gew¨ahlt. Im restlichen Teil wurden 150 Punkte mit logarithmisch gr¨oßer werdendem Punktabstand erfaßt. Jeder Meßpunkt stellt den Mittelwert aus 1000 Einzelsch¨ussen dar, d. h. einer Mittelung ¨uber einen Zeitraum von einer Sekunde. Um das Signal/Rausch-Verh¨altnis weiter zu steigern wurde jede Kinetik 6 Mal gemessen und anschließend gemittelt. Auf diese Weise werden Langzeitschwankungen des gesamten Systems ausgeglichen. Da bei diesem Ver-fahren eine Einzelmessung ca. 10 Minuten in Anspruch nahm, betrug die Meßzeit f¨ur eine Kinetik etwa eine Stunde. Die Spaltbreite des Monochromators betrug 0.5 mm, entsprechend einer spektralen Aufl¨osung 5.5 nm. Die Anregung der Probe erfolgte im magischen Winkel von 54.7^◦ um Anisotropieeffekte zu vermeiden [158].

Die Anregungsenergie betrug 1 – 3µJ, wohingegen der Gatepuls eine Energie von ca. 5µJ hatte.

Aufgrund der Lichtempfindlichkeit des Farbstoffes Laurdan, sind die verwende-ten Proben einer erheblichen Zersetzung ausgesetzt, was zur Folge hat, daß die Fluoreszenzintensit¨at mit fortschreitender Bestrahlung abnimmt. Daher wurde nach der Messung von jeweils 4 – 6 verschiedenen Kinetiken, die Meßl¨osung aus-getauscht. Diese Zersetzungsprozesse und etwaige Zimmertemperaturschwankun-gen verlangten eine Korrektur des Untergrundes der gemessenen Kinetiken. Dazu wurde vor und nach jeder Einzelmessung die Gr¨oße des Signals bei einer negati-ven Verz¨ogerungszeit, d. h. bei Abwesenheit von Fluoreszenz, gemessen. Im Falle eines Unterschiedes beider Signale wurde der Untergrund linear bez¨uglich der Zeit interpoliert. Aus den so gewonnen Daten konnte unter zur Hilfenahme von TCSPC-Spektren bei einer festen Verz¨ogerungszeit, f¨ur die relative Gewichtung der Intensit¨aten untereinander, die Solvatationskorrelationsfunktion rekonstruiert werden (siehe Kapitel 5.4.3).

Aufgrund der relativ schwachen Fluoreszenz des verwendeten Farbstoffes Laur-dan in den zu untersuchenden Meßl¨osungen, wurde die Justage des FUC-Experimentes mit geeigneten Farbstoffl¨osungen durchgef¨uhrt. Dies bietet mehrere Vorteile: Zum einen k¨onnen solche L¨osungen hochkonzentriert hergestellt werden, zum anderen kann mit einer h¨oheren Pumpenergie angeregt werden. Desweiteren kann je nach Wellenl¨ange ein unterschiedlicher Farbstoff verwendet werden. In dieser Arbeit wurden drei verschiedene Farbstoffl¨osungen zur Justage verwendet:

Coumarin 153 und Coumarin 151 in Methanol, sowie Coumarin 4 in alkalisiertem Methanol. Deren station¨are Emissionsspektren sind in Abbildung4.8dargestellt.

Die Struktur auf dem Spektrum des Coumarin 4 resultiert aus verschiedenen emit-tierenden Spezies in L¨osung [211,212]. Nach erfolgter Justage des Setups mit Hilfe dieser Farbstoffl¨osungen, wurde eine identische Zelle in die K¨uvettenhalterung ein-gesetzt, welche die zu vermessende L¨osung enthielt. Die K¨uvettenhalterung wurde daher derart konstruiert, daß eine reproduzierbare Positionierung der Meßzellen stattfinden konnte.

Abbildung 4.8: Fluoreszenzspektren der zur Justage verwendeten Farbstoffe Cou-marin 153, CouCou-marin 151 und CouCou-marin 4 in L¨osung.

4.5 Photon-Echo-Spektroskopie

F¨ur die in dieser Arbeit durchgef¨uhrten Photon-Echo-Experimente an inversen Mizellen werden ultrakurze, abstimmbare Laserpulse ben¨otigt, um sie den Ab-sorptionsspektren der verwendeten Farbstoffe anpassen zu k¨onnen. Zur Bereit-stellung dieser Pulse wird ein nichtkollinearer optisch-parametrischer Verst¨arker verwendet, der in Kapitel 4.5.1 kurz vorgestellt wird. Das eigentliche Photon-Echo-Experiment zur Untersuchung der ultraschnellen Solvatationsdynamik in inversen Mizellen wird in Kapitel 4.5.3 behandelt.

4.5. PHOTON-ECHO-SPEKTROSKOPIE 67

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