Femtosecond broadbandfluorescence upconversion

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wird der Aufbau einer neuartigen Anlage zur breitbandigen Messung zeitaufgelöster Fluoreszenzspektren durch Summenfreqnzbildung ("Fluorescence Upconversion") beschrieben. Breitbandig heißt hier, dass der spektrale Bereich von 425 bis 610 nm (Delta nu = 7200 1/cm) in einem einzigen Messgang erfasst wird. Die Zeitauflösung der Messung liegt nach Dispersionskorrektur bei 100 fs. Die Erfüllung der geometrischen und optischen Randbedingungen ("Phase matching") für die Summenfrequenzbildung über einen so breiten spektralen Bereich wurde durch die Wahl eines dünnen, niederdispersiven, nichtlinearen Kristalls (KDP, 100 mikrometer) und eines infraroten Torpulses ermöglicht. Erste Messungen wurden an einem System durchgeführt, dessen Fluoreszenzverhalten aus der Literatur sehr gut bekannt ist, Coumarin 153 in Acetonitril. Aus der dynamischen Stokes-Verschiebung wurde die Solvations-Korrelations-Funktion für Acetonitril bestimmt. Die aus der Literatur bekannten Werte wurden reproduziert. Daraus wurde geschlossen, dass mit der Apparatur zuverlässig gemessen werden kann. Als zweites System wurde 4-Dimethylamino-4'-cyanostilben (DCS) in Acetonitril untersucht. Aus der Literatur ist es bekannt für duale Fluoreszenz: unmittelbar nach der Anregung des Moleküls wächst eine Fluoreszenzbande an und schwindet wieder, während gleichzeitig zur ersten rotverschoben eine neue Bande anwächst. Mit Messungen der zeitaufgelösten Fluoreszenz bei verschiedenen Schichtdicken und der zeitaufgelösten Absorption sowie quantenmechanischen Rechnungen konnte dieses Phänomen auf eine starke Absorptionsbande im ersten elektronisch angeregten Zustand zurückgeführt werden. DCS besitzt also nur scheinbar duale Fluoreszenz. Bei genügend geringer Schichtdicke ist es möglich das wahre Emissionsverhalten zu beobachten, nämlich eine von der Lösungsmittel-Antwort bestimmte dynamische Rotverschiebung.

In this work a new experimental design is presented that allows upconversion of a fluorescence band in a broad range of 7200 1/cm without readjusting optical elements, thus allowing measurements with a single pump-gate scan. This broad phase matching could be achieved by utilizing a thin, nonlinear optical crystal (KDP, 100 mikron) and an infrared gate wavelength. The setup provides a time-resolution of 100 fs. First measurements were performed on a system which emission behaviour has been extensively described in literature, the laser dye coumarin 153 (c153)in acetonitrile. From dynamical Stokes-shift the solvation correlation function of acetonitrile could be obtained. Data known from literature were reproduced. From this it was concluded that with this new setup measurements can be performed reliably. The second system investigated was 4-dimethylamino-4'-cyanostilbene (dcs) in acetonitrile. In literature it was discussed in terms of dual fluorescence: immediately after excitation of the dye an first emission band rises in the blue and decays while synchronously a second band rises at longer wavelengths. By measuring time-resolved fluorescence at different sample thickness, time-resolved absorption as well as quantum mechanical calculations dual emission could be excluded, instead a new explanation was found. A strong transition from the S$_1$ state to higher states overlaps with the transient emission signal. The optical density of this transition scales with concentration, thickness of the sample and intensity of the pump-pulse. If the optical density is high then re-absorption gives the impression of dual emission; but if it is kept low then the true spectral behaviour of DCS can be revealed: pure solvation dynamics.