Zwei-Photonen-Spektroskopie. Anleitung zur Erstellung eines Messprogramms

Program:

Two-Photon data-aquisition

Intro

Der Inhalt dieses Büchleins ist Teil meiner Postdoc-Arbeit in den USA, genauer gesagt, an der University of Connecticut (UCONN).

Im Rahmen dieser Anstellung oblag es mir als Experimentalphysiker, einen Zwei-Photonen-Messplatz zur Untersuchung von „Elpasoliten“ aufzubauen und nebenher mehrere Doktoranden wissenschaftlich zu betreuen. Aufgrund einer plötzlichen Zuweisung von Drittmitteln waren Gerätschaften für diesen Messplatz bereits beschafft worden. Allerdings standen diese Gerätschaften mehr oder weniger ungenutzt herum. Mein Chef entpuppte sich als „Vollbluttheoretiker“, der von der Praxis, sprich dem Aufbau funktionierender Experimente, nicht die Spur einer Ahnung hatte. Der Vorteil war: Ich konnte schalten und walten, wie ich wollte, solange hinterher brauchbare, d.h. für einen Theoretiker verwertbare, Ergebnisse heraussprangen.

Und das tat ich dann auch. Die wichtigsten Komponenten für den Messplatz waren vorhanden: Ein Ne-YAG-laser, ein Farbstofflaser, ein Spektrometer, etliches an elektronischen Kleinteilen und…ein Apple II - Computer zur Prozesssteuerung der Experimente.

Viele werden diesen Computer gar nicht mehr kennen. Es handelte sich um einen 8-Bit-Computer der ersten Generation mit einem 6502-Prozessor. Technische Daten: Arbeitsspeicher: Satte 32 kB RAM. Taktfrequenz: 1 MHz. Datensicherung: Zwei Floppy-disc-Stationen. Vorgegebene Programmiersprache: Apple-BASIC. Der Monitor zeigte eine grünes Bild.

Nachdem ich dieses Herzstück der Messapparatur etwas aufgerüstet hatte (CP/M-Karte, A/D-Wandler, zusätzliche 32 kB Arbeitsspeicher), stellte ich die mechanischen Komponenten zusammen (das dauerte einige Tage) und versuchte, den Apple II dazu zu bringen, wie ein Dirigent sein Orchester alle Komponenten des Messplatzes im richtigen Zeittakt anzusteuern.

Program:

Two-Photon data-aquisition

Intro

Um dieses hehre Ziel zu erreichen, programmierte ich, was das Zeug hielt. Alles lief wie am Schnürchen, nur die Ansteuerung zeitkritischer Teile der Messapparatur, insbesondere zu nennen hier die A/D-Wandler-Karte und der Schrittmotor zur Durchstimmung des Fabry-Perots-Filters, war viel zu langsam. Letztlich habe ich dieses Problem lösen können, indem ich alle notwendigen Basic-Anweisungen durch direkte „Peeks“ und „Pokes“, also Übergabe von Parametern in Speicherstellen und Auslesen von bestimmten Speicherstellen, ersetzte. Es hat mich sehr erstaunt, aber auch sehr stolz gemacht, dass ich es fertig gebracht habe, mit dieser EDVMinimalausstattung die mir gestellte Aufgabe zu lösen.

Natürlich war es mit der reinen Aufnahme der Rohdaten nicht getan. Vielmehr fehlten alle Tools zur Aufbereitung und Auswertung derselben. Da es zu der Zeit keine fertigen Auswerteprogramme zu kaufen gab, habe ich notgedrungen diese ebenfalls auf dem Apple-Rechner programmiert und „File-Utilities“ genannt. Die Utilities haben es mir erlaubt, die Rohdaten graphisch darzustellen, die korrekte Energie und Halbwertsbreite gemessener Emissionslinien durch Subtraktion des Untergrundes und Anpassung von ein oder mehreren Gauskurven zu ermitteln, Spektren zu glätten und vieles mehr. Bei Interesse werde ich die entsprechenden Struktogramme gerne veröffentlichen.

Program:

Two-Photon data-aquisition

Vorwort

Die nachfolgenden Struktogramme sind original die, die ich in Amerika erstellt habe. Insofern sind viele Anweisungen und Benennungen in Englisch. Sie sollen einen Rahmen bieten für Personen, die wissen wollen, wie man einen Messplatz aufbaut und via Prozessrechner steuern kann.

Die Struktogramme sind nicht auf die Programmiersprache „Basic“ fixiert. Dadurch jedoch , dass alle Subroutines in „Basic“ programmiert waren und diese Struktogramme erstellt wurden, als das lauffähige Programm bereits als Grundlage vorhanden war, lässt sich eine gewisse „Schlamperei“, was die Definition von Parametern, Strings, Variablen etc. betrifft, nicht leugnen.

Ich halte das aber für legitim, schließlich wird heutzutage niemand mehr eine derart umfangreiche Anwendung in „Basic“ schreiben. Spätestens, wenn man selber einen Messplatz - beruflich im Großen wie privat zu Hause im Kleinen - einrichten möchte, kommt man nicht umhin, sich mit den Eigenheiten der gewählten Programmiersprache intensiv zu beschäftigen. Ich denke durchaus an kleine Programme für die Raspberry-Pi etc. Die Struktogramme fungieren hier als „roter Faden“, an dem entlang der geneigte Leser sein Programm entwickelt. Dabei wird er feststellen, dass viele Subroutines als Bibliothek geladen werden können und nicht mühsam „von Hand“ selber programmiert werden müssen, wie es bei mir der Fall war. Beispielsweise hierfür sind die SAVE- und READ-Subroutines.

Noch ein Wort zu der Anwendbarkeit von Struktogrammen: Zwar wurde mit meinem Programm gezielt ein Zwei-Photonen-Messplatz gesteuert. Tatsache ist jedoch, dass mittels dieser Struktogramme, und dafür sind Struktogramme auch gemacht, grundsätzlich die Messprogramme für beliebige Messplätze erstellt werden können. Somit sind die hier gezeigten Struktogramme universell und für eine breite Anwendungsvielfalt verwendungsfähig. Anmerkungen habe ich zur besseren Lesbarkeit in kursiv geschrieben.

Program:

Two-Photon data-aquisition

Vorwort

Das Messprinzip ist simpel: Ein „Pumplaser“ regt einen durchstimmbaren Farbstofflaser zu breitbandiger Emission an. Mittels eines Fabry-Perot-Filters erfüllt aus der Vielzahl möglicher Laserlinien möglichst genau eine Linie die Resonanzbedingung und beginnt zu „lasen“. Mit dieser Laserlinie (Anregungsenergie) wird ein, häufig gekühlter, Kristall bestrahlt. Licht emittieren, also aussenden, kann der Kristall allerdings nur, wenn die eingestrahlte Energie absorbiert wurde, also Energielevels passend zur eingestrahlten Energie vorhanden sind. So kann es bei schmalbandiger Anregungsenergie vorkommen, dass keine Energie absorbiert wird und folglich auch keine Emission zu detektieren ist. Gibt es Energieniveaus derart, dass die Energie von zwei Photonen benötigt wird, um ein höheres Energielevel zu besetzen, spricht man von zwei-Photonen-Spektroskopie.

Das emittierte Licht vom Kristall wird zu einem Monochromator geleitet, auf einen Eintrittsspalt fokussiert und im Inneren fein säuberlich nach Energien getrennt. Durch einen Austrittspalt fällt das nunmehr monochromatische Licht auf einen nachgeschalteten Photomultiplier. Dieser misst die Intensität jeder Spektrallinie (Energie) und gibt diesen Wert an den Computer weiter. Ein Computer speichert die gemessene Intensität (I) zusammen mit der Energie der Linie bzw. trägt die Intensität über der jeweils zugeordneten Energie auf.

Weil die Farbstofflaser-Intensität schwankt, wird in der Regel ein schwacher Referenzstrahl (I0) mittels eines Strahlteilers abgezweigt und die Emissionsintensität des Kristalls (I) normiert, indem der Untergrund subtrahiert und die Emissionsintensität durch das Quadrat der Intensität des Referenzstrahls dividiert wird.

Ein Anregungsspektrum erhält man, wenn die Anregungsenergie variiert wird (der Farbstofflaser wird „durchgestimmt“) und die Emissionen des Kristalls über die Anregungsenergie aufgetragen wird. Fokussiert man sich auf eine bestimmte Emissionslinie, lässt sich auf diese Weise die Abhängigkeit der Emissionslinie von der Anregungsenergie verfolgen. Daraus wiederum werden Aussagen zu den energetischen Übergängen deduziert.

Program:

Two-Photon data-aquisition

Schematischer Aufbau eines zwei-Photonen-Messplatzes

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der in einem Kryostaten eingebaute, gekühlte Kristall wird in 90 ° -Geometrie untersucht. X =

Kristall/Kryostat; PD = Photodiode; PM = Photomultiplier; L = Sammellinse/Kantenfilter und Shutter; B = Beamsplitter; Dye-Laser/sm = Farbstofflaser mit Schrittmotor.

Program:

Two-Photon data-aquisition

Struktogramm zum zwei-Photonen-Messprogramm

Dieses erste Struktogramm zeigt den Aufbau des gesamten Programms. Künftig verwendete Parameter werden definiert und belegen feste Plätze im Arbeitsspeicher.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Program:

Two-Photon data-aquisition

Nachfolgend werden die Funktionen der Subroutines erläutert.

Explanation Subroutines:

RUNS: Taking data - main program. Aufnahme der Daten und Speicherung in X(I) und Y(I).

TEST: Showing values I, I0

SAVE: Saving data. Speicherung der Daten auf Datenträger.

SINGL: Steppingmotor advance. Ansteuerung des Fabry-Perots zur Variation der Anregungsenergie.

PPARA: Input parameters. Eingabe benötigter Parameter.

SHOW: Realtime-plot of X-Y data. Zeichnet die gespeicherten X-Y-Daten (Spektrum) auf den Monitor.

READ: Read data back form disk 2. Wiedergabe bereits gespeicherter Spektren auf dem Monitor.

PDATA: Hardcopy of HGR2-screen

PPARA: Print set of system-parameters

DUMP: Print all parameters

SMOOTH: Digital filter. Dient zur „ Glättung “ der Spektren.

[...]