Aufbau eines 500 Hz-Lasersystems zur Summenfrequenzschwingungsspektroskopie

Kuß, Michael; Daum, Winfried

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-4994

Aufbau eines 500 Hz-Lasersystems zur Summenfrequenzschwingungsspektroskopie

Kuß, Michael (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michael Kuß

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

Umfang105 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Daum, Winfried (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-02-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-4994
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60238/files/Kuss_Michael.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; SFG-Spektroskopie (frei) ; Kohlenmonoxid (frei) ; Pt(111) (frei) ; regenerative Verstärkung (frei) ; Nd:YAG (frei) ; parametrisch (frei) ; Erzeuger (frei) ; Verstärker (frei) ; Bariumborat (frei) ; Silberthiogallat (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Arbeit beschreibt den Aufbau eines Hochleistungslasersystems zur Erzeugung durch-stimmbarer Laserstrahlung mittels nichtlinear-optischer Prozesse in parametrischen Kristallen und dessen Anwendung bei der Untersuchung der Adsorption von CO auf Pt(111) in einem wäßrigen Elektrolyten. Die hierzu nötigen Strahlintensitäten werden durch ein gepulstes Nd:YAG-Lasersystem bereitgestellt, welches aus einem regenerativen Verstärker und einem Linearverstärker besteht. In dem regenerativen Verstärker wird Strahlung aus einem laserdiodengepumpten, akustooptisch-modengekoppelten Nd:YAG-Laser durch einen laserdiodengepumpten Nd:YAG-Laserkopf verstärkt. Die ausgekoppelten Pulse aus dem regenerativen Verstärker haben eine Wiederholrate von 500 Hz, eine Pulsenergie von etwa 0.9 mJ, eine Pulsdauer von ca. 25 ps (FWHM) und eine Bandbreite von etwa 0.23 nm (FWHM). Der Linearverstärker enthält unter anderem zwei blitzlampengepumpte Verstärkerköpfe und dient zur Verstärkung eines Teils der Strahlung aus dem regenerativen Verstärker mittels Einfachdurchgang, während der andere Teil zur Erzeugung von 0.532 µm Strahlung benutzt wird, um als festfrequenter Anregungspuls für die SFG-Spektroskopie zu dienen. Ein Teil der Strahlung aus dem Linearverstärker dient zur Erzeugung von 0.532 µm Strahlung, die zum Betrieb eines optisch-parametrischen Erzeugers/Verstärkers (OPG/OPA) benutzt wird, der hauptsächlich aus zwei (-Bariumborat-Kristallen (BBO) und einem Reflexionsbeugungsgitters besteht. Die Idlerkomponente der durchstimmbaren Strahlung liegt im Bereich von etwa 1.2 - 1.7 µm und hat Pulsenergien bis etwa 17 µJ. Die so erzeugte Strahlung dient zum Betrieb eines optisch-parametrischen Verstärkers (OPA) aus zwei Silberthiogallat-Kristallen (AgGaS2). In diesen wird die parametrische Strahlung aus dem BBO-OPG/OPA mit dem anderen Teil der Strahlung aus dem Linearverstärker überlagert und verstärkt. Der zugängliche Spektralbereich wird dadurch bis in das mittlere Infrarot erweitert. Insgesamt erhalten wir ein System, welches bei einem Durchstimmbereich von etwa 1.2 - 8.3 µm, Pulsdauern von etwa 9 ps (FWHM) und Pulsenergien bis 0.16 mJ besitzt. Die Bandbreiten der erzeugten Strahlung liegen um 4 cm^(-1) (FWHM). Im zweiten Teil der Arbeit wird die Leistungsfähigkeit des Lasersystems bei der Untersuchung der Adsorption von CO auf Pt(111) in einem wäßrigen Elektrolyten demonstriert. Wurde das CO bei 80 mV/RHE adsorbiert, waren im SFG-Spektrum Resonanzen bei ungefähr 1786 cm^(-1) und 2066 cm^(-1) sichtbar, welche den Streckschwingungen von CO auf dreifachen Loch- und Spitzenplätzen der (2x2)-3CO-Überstruktur zugeordnet werden. Nach einem anschließendem Potentialsprung auf 500 mV/RHE wurde beobachtet, daß der Übergang zur (sqrt(19) x sqrt(19))R23.4°-Überstruktur mit brückenplatzähnlichen (1847 cm^(-1)) und spitzenplatzähnlichen (2062 cm^(-1)) Adsorptionsplätzen in weniger als 9 Minuten abgeschlossen war. Adsorbierten wir CO hingegen bei einem Potential von 500 mV/RHE, beobachteten wir zunächst Resonanzen bei ca. 1804 cm^(-1) (dreifacher Lochplatz) und 2071 cm^(-1) (Spitzenplatz). Schon im anschließenden Spektrum war kein CO auf Lochplätzen mehr nachweisbar, vielmehr wurden Resonanzen von CO auf Brückenplätzen (ca. 1849 cm^(-1)) und Spitzenplätzen (ca. 2062 cm^(-1)) beobachtet. Offensichtlich adsorbiert CO bei 500 mV/RHE zunächst in der (2x2)-3CO-Überstruktur, wechselt aber in weniger als 8 Minuten in die (sqrt(19) x sqrt(19))R23.4°-Überstruktur. Bei einem Adsorptionspotential von 600 mV/RHE wurden in allen drei nach der Adsorption aufgenommen Spektren nur die Resonanzen des auf Lochplätzen (ca. 1804 cm^(-1)) und Spitzenplätzen (ca. 2081 cm^(-1)) adsorbierten CO beobachtet. Aus diesem Verhalten schließen wir, daß bei diesem Potential CO direkt in der (2x2)-3CO-Überstruktur adsorbiert und innerhalb eines Zeitraumes von etwa 24 Minuten keine signifikante Änderung der Adsorptionsstruktur stattfindet.

This work reports on the design and performance of a 500 Hz picosecond laser system specifically developed for sum-frequency spectroscopy of molecular vibrations at interfaces, and on its applications to the study of potential-dependent CO adsorption at the Pt(111)/aqueous electrolyte interface. The experimental setup consists of a picosecond Nd:YAG laser system operating with a pulse frequency of 500 Hz, and on optical parametric generator/amplifier system for the generation of tunable picosecond pulses in the medium infrared. Laser pulses at 1.064 µm with 0.9 mJ pulse energy and about 25 ps pulse duration are produced by regenerative amplification of picosecond pulses from a laser diode-pumped, mode-locked Nd:YAG oscillator in a laser diode-pumped Nd:YAG amplifier at a repetition rate of 500 Hz. Since much larger pulse energies are required for efficient frequency conversion in the parametric generator/amplifier system, the avialable laser pulse energy at 1.064 µm is increased to a level of about 9 mJ by one-pass amplification in two flashlamp-pumped Nd:YAG laser amplifiers. Spectrum and autocorrelation traces indicate considerable self-phase modulation of the amplified pulses which have a pulse duration as short as 12 ps. Tunable pulses in the medium infrared for vibrational spectroscopy are obtained by optical parametric amplification of near-infrared seed pulses in two angle-tuned AgGaS2 crystals pumped with a fraction of the energy of the amplified Nd:YAG laser pulses. The seed pulses which are tunable between 1.2 and 1.7 µm are produced by optical parametric generation and two-pass amplification in two angle-tuned barium borate (BBO) crystals pumped by the second harmonic (0.532 µm) of the remaining fraction of the amplified Nd:YAG laser pulses. The spectrally broad-band parametric emission of the BBO crystals is narrowed down with a diffraction grating between the two passes of amplification. The optical parametric system produces at a repetition rate of 500 Hz high-power infrared pulses tunable from 1.2 to 8.3 µm with pulse durations of approximately 9 ps, bandwidths of typically 4 cm^(-1) in the medium infrared, and pulse energies of 70 µJ at 5 µm and 160 µJ at 3.33 µm. The potential of this new laser system is demonstrated in infrared-visible sum-frequency generation (SFG) experiments to study the potentail dependence of CO adsorption and CO adlayer phase transition at the Pt(111)/sulfuric acid interface. This Pt(111)/CO/electrolyte system has been selected as a well-defined and well-characterized model system for molecular chemisorption. Moreover, CO adsorption at Pt electrocatalysts is an important intermediate step in the electrooxidation of organic fuels such as methanol. In the SFG experiments of the present work the resonant excitation of the intramolecular stretching vibration of adsorbed CO molecules with tunable infrared pulses is up-converted to the sum-frequencv using 0.532 µm laser pulses. Experiments where performed on flame-tempered Pt(111) single crystal electrodes in a CO-saturated aqueous solution of 0.5 M H2SO4. When CO is adsorbed at a potential of 80 mV versus the reversible hydrogen electrode (RHE), resonances at approximately 1786 cm^(-1) and 2066 cm^(-1) are observed in the SFG spectra corresponding to CO adsorption at three-fold hollow sites and on-top sites, respectively. These bands are indicative of a (2x2) adsorption structure of CO as revealed in previous scanning tunneling microscopy studies of this system. A fast increase of the potential to 500 mV/RHE causes the appearance of new bands at approximately 1847 cm^(-1) and 2062 cm^(-1) which are characteristic of CO adsorption at (near-)bridge and (near-)on-top sites, respectively, of a (sqrt(19) x sqrt(19))R23.4° adsorption structure, and the disappearance of the bands of the (2x2) structure. When CO is adsorbed at 500 mV/RHE the SFG spectra show that the phase transition from the (2x2) to the (sqrt(19) x sqrt(19))R23.4° structure is completed within few minutes, while for adsorption at 600 mV/RHE the (2x2) structure is rather stable.

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