SHG-Spektroskopie
Die Polarisation P beschreibt die Reaktion eines Mediums auf ein elektrisches Feld E:
Für hohe Feldstärken, die heuzutage mit gepulsten Lasern problemlos erreicht werden, wird der Zusammenhang zwischen Polarisation und elektrischem Feld nichtlinear:
Wird bei nur die Nichtlinearität 2. Ordnung berücksichtigt erhält man sofern die Felder mit der gleichen Frequenz schwingen den Spezialfall der Frequenzverdopplung, engl. second harmonic generation (SHG). Es entsteht eine Polarisation die mit der doppelten Frequenz schwingt:
In Dipolnäherung ist die Frequenzverdoppelung im Volumen inversionsymetrischer Materialien verboten. Das sind zum Beispiel kubische Kristalle (u.a. Silizium), amorphe Festkörper (wie z.B. SiO2), Flüssigkeiten oder Gase. An den Grenzflächen ist die Inversionssymmetrie notwendigerweise gebrochen, so dass dort die zweite Harmonische erzeugt wird. Die Strahlung entsteht dabei in einer nur wenige Atomlagen dünnen Schicht an der Grenzfläche, d.h. die SHG-Spektroskopie ist an Systemen inversionssymmetrischer Materialien (z.B. Si/SiO2) eine extrem grenzflächensensitive Messmethode.
Der in unserer Arbeitsgruppe für die SHG-Spektroskopie verwendete Versuchsaufbau ist der folgenden Abbildung zu entnehmen:
Aus der vom Femtosekunden-Lasersystem kommenden Laserstrahlung entfernt der Filtersatz 1 erwünschten Strahlung. Der Strahlteiler reflektiert einen Teil der verbleibenden Laserstrahlung in eine Quarzreferenzprobe, in der das SHG-Signal zur Normierung des Messignals erzeugt wird. Die restliche Laserstrahlung wird von einer Linse auf die Probe fokussiert. Sowohl hinter der Probe, als auch hinter dem Quarzkristall wird die Fundamentale vom Filtersatz 2 absorbiert, so dass die zweite Harmonische monochromatisiert und vom Photomultiplier detektiert werden kann, ohne von der deutlich intensiveren Fundamentalen überstrahlt zu werden. Ein Polarisator ermöglicht das Detektieren von s- bzw. p-Polarisierter zweiter Harmonischer.