Measurements of local electric fields by doppler-free laser spectroscopy of hydrogen resonance lines

In dieser Arbeit wurde eine einfache laserspektroskopische Messmethode für lokale elektrische Feldstärken im Hinblick auf ihre Messmöglichkeiten und -grenzen untersucht. Als empfindliche optische Feldsensoren dienen dabei Wasserstoffatome, für die die Stark-Aufspaltung der Spektrallinien im elektrischen Feld wohl bekannt und exakt berechenbar ist. Die experimentellen Untersuchungen wurden an einer Niederdruck-Gaszelle durchgeführt, in der ein elektrisch geheizter Wolframdraht für thermische Dissoziation von Wasserstoffmolekülen sorgte. Die Wasserstoffatome wurden durch zwei gegenläufige Laserstrahlen Doppler-frei angeregt. Die Durchstimmung der schmalbandigen Laserstrahlung über den Wellenlängenbereich der Zwei-Photonen-Resonanz lieferte direkt das vom elektrischen Feld hervorgerufene Stark-Spektrum des angeregten Zustands. Weil die Methode im Gegensatz zu ähnlichen, erheblich aufwendigeren Verfahren nur die niedrigsten Wasserstoff-Energieniveaus benutzt, die mit Zwei-Photonen-Anregung direkt aus dem Grundzustand erreichbar sind, kommt sie mit einem einzigen Laser aus. Für das erste angeregte Niveau mit n = 2 wird Strahlung bei 243 nm benötigt, das nächsthöhere Niveau mit n = 3 erfordert 205 nm. Für n = 2 wurden Untersuchungen an Wasserstoff und Deuterium durchgeführt und Stark-Spektren mittels optogalvanischer Detektion gemessen. Schwerpunkt der Arbeit waren aber die Messungen an Wasserstoff für n = 3, bei denen zusätzlich Balmer-alpha-Fluoreszenz im Sichtbaren zur Detektion eingesetzt werden konnte. Bei elektrischen Feldern bis 200 V/cm wurden Stark-Spektren für drei verschiedene Polarisationszustände der Laserstrahlung aufgenommen. Als Ergebnis konnte jeweils ein Paar isolierter Stark-Komponenten in den Spektren identifiziert werden, dessen gut messbarer Frequenzabstand durch Vergleich mit theoretischen Werten die Bestimmung der elektrischen Feldstärke ermöglicht.A method for electric field measurements that observes the Stark spectra of the low excited levels n = 2 and n = 3 of atomic hydrogen has been explored in this work. As advantage these levels can be excited Doppler-free from the ground state by a single laser and the highly resolved Stark spectra are easy to understand and to be calculated. Good sensitivity of electric field measurements is achieved with specially designed solid state laser systems, which provide tuneable pulsed UV radiation with a high pulse peak-power and a narrow bandwidth needed for Doppler-free two-photon excitation. Using hydrogen and deuterium the Stark spectra of the n = 2 level are detected as optogalvanic signal. For three different cases of laser polarization the n = 3 spectra of hydrogen are measured simultaneously with optogalvanic and laser induced Balmer alpha fluorescence detection. Electric fields down to 200 V/cm can be determined from the Stark spectra of n = 2 level, while the spectra of n = 3 level enable measurements of electric fields as small as 50 V/cm in each of the three cases of laser polarization