Warum sollte ich in der Spektroskopie einen Polarisator verwenden?

Denjenigen, die sich für Fotografie interessieren, ist die Polarisation als Methode zur Beseitigung von Spiegelreflexionen auf der Oberfläche von Wasser oder Glas bekannt, wodurch Details unter der Oberfläche in atemberaubender Klarheit zur Geltung kommen. In industriellen Anwendungen wird die Polarisation jedoch oft vernachlässigt.

Polarisiertes Licht ist nützlich, da es die selektive Messung von Proben ermöglicht, die entweder den Polarisationszustand des einfallenden Strahls verändern oder eine bestimmte Polarisation des Lichts gegenüber einer anderen bevorzugt absorbieren; Ersteres bildet unter anderem die Grundlage für Ellipsometrie- und Polarimetrieverfahren, Letzteres ist die Grundlage für viele infrarotspektroskopische Messungen mit polarisiertem Licht.

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Parallele und senkrechte Polarisation

Bei linear polarisiertem Licht ist das elektrische Feld auf eine Ebene beschränkt. Wenn dieser Vektor mit der Einfallsebene (der Ebene, in der die einfallenden, reflektierten und durchgelassenen Strahlen an einer Grenzfläche liegen) ausgerichtet ist, spricht man von parallelem oder p-polarisiertem Licht; wenn der Vektor senkrecht zur Einfallsebene steht, spricht man von senkrechtem oder s-polarisiertem Licht.

Die Anisotropie innerhalb von Proben lässt sich leicht untersuchen, indem man abwechselnd mit parallel und senkrecht polarisiertem Licht misst und die Ergebnisse vergleicht.

Gekreuzte Polarisatoren

Zwei Polarisatoren, deren Gitter im Winkel von 90˚ zueinander ausgerichtet sind, werden als „gekreuzt“ bezeichnet. Diese Anordnung sollte jegliches Licht, das das Paar durchläuft, vollständig auslöschen, da der erste Polarisator alle Polarisationen herausfiltert, die den zweiten Polarisator passieren könnten.

Verändert eine zwischen den beiden Polarisatoren angeordnete Probe den Polarisationszustand des Strahls, so gelangt nun ein Teil des Lichts durch den Analysator. Der Analysator kann dann so lange gedreht werden, bis der Strahl wieder ausgelöscht ist, und der erforderliche Drehwinkel wird als die durch die Probe hervorgerufene Polarisationsänderung aufgezeichnet.

Spektroskopische Anwendungen von Infrarot-Polarisatoren

Die Absorption eines polarisierten Strahls ist am größten, wenn sein elektrisches Feld parallel zu den elektrischen Dipolen in der Probe verläuft. Bei einem Probenmaterial, bei dem alle molekularen Dipole in dieselbe Richtung ausgerichtet sind, führt eine Veränderung des Polarisationswinkels bei gegebener Absorption zu Veränderung der Intensität, was Aufschluss über die Ausrichtung dieser Moleküle relativ zum Strahl gibt. Dies ist der Schlüssel zu vielen Anwendungen von Polarisatoren.

Dünnschichtmessung

Eine gängige Messung, die polarisiertes Licht erfordert, ist die Untersuchung von dünnen Schichten auf reflektierenden Substraten mittels Infrarot-Reflexionsabsorptionsspektroskopie (IRRAS). Molekulare Dipole, die senkrecht zur Substratoberfläche ausgerichtet sind, absorbieren p-polarisiertes Licht bei Einfallswinkeln (>80˚) stark [1]. Zur Durchführung der Messung der spiegelnden Reflexion unter variablen Winkeln kann beispielsweise das Harrick Seagull Variable Angle Reflection Accessory (rechts) verwendet werden.

Dichroitische Messungen an oberflächenimmobilisierten Proteinen

Bei Reflexionsmessungen wie der abgeschwächten Totalreflexion und der spiegelnden Reflexion absorbieren molekulare Übergangsdipole, die parallel zur Einfallsebene ausgerichtet sind, parallel polarisiertes Licht stärker als senkrecht polarisiertes; die Differenz zwischen beiden, das dichroitische Differenzspektrum, kann zur Bestimmung der relativen Ausrichtung der Dipole zur Oberfläche herangezogen werden [2].

Polarisationsspektroskopie von Gasen

Bei der Polarisationsspektroskopie kommen Polarisatoren in der oben beschriebenen gekreuzten Anordnung zum Einsatz: Ein zwischen den Polarisatoren befindliches Gas wird durch eine polarisierte Pumplaserfrequenz angeregt, was nachweisbare Polarisationsänderungen in einem durch die Probe hindurchtretenden Sondenstrahl hervorruft [3].

Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie

Die für die Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie verwendeten Lichtquellen sind in der Regel linear polarisiert; auch die Detektoren reagieren empfindlich auf die Polarisation [4]. Für den Bereich unterhalb von 0,5 THz können freistehende Drahtgitterpolarisatoren verwendet werden [5].

Infrarot-Ellipsometrie

Die Ellipsometrie ist ein Verfahren, bei dem mithilfe eines Polarisatorpaares die Veränderung des Polarisationszustands eines reflektierten oder transmittieren Strahls nach der Wechselwirkung mit dünnen Oberflächenschichten gemessen wird.

Wire Grid Polarisatoren von Specac Ldt.

Specac stellt zwei Arten von Wire Grid Polarisatoren her, die den gesamten mittleren und fernen Infrarotbereich sowie den Terahertz-Bereich des Spektrums abdecken. Holografische Wire Grid Polarisatoren für den mittleren Infrarotbereich sind direkt mit den hochwertigen ATR- und Spiegelreflexions-Zubehörteilen kompatibel, während die freistehenden Drahtgitterpolarisatoren für die Terahertz-Spektroskopie geeignet sind.

Alle Specac-Produkte können in Deutschland bei der Quantum Design GmbH bestellt werden.

Unsere Produktmanagerin Julia Holzmann hilft Ihnen gerne dabei, das richtige Produkt für Ihre Anwendung zu finden. Nehmen Sie gerne Kontakt mit ihr auf.

Quellenangaben

T. Elzein et al. FTIR study of polycaprolactone chain organization at interfaces, J. Col. Int. Sci. 273 (2004) 381–387
J. Shartner et al. Universal Method for Protein Immobilization on Chemically Functionalized Germanium Investigated by ATR-FTIR Difference Spectroscopy, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135 (10), pp 4079–4087
Z. S. Li et al. Detection of methane with mid-infrared polarization spectroscopy, Applied Physics B 79, 135-138 (2004)
K. Postava et al. Spectroscopy of materials for terahertz photonics, Proc. of SPIE Vol 10142 1014207-1 (2016)
M. Mičica et al. Analysis of Wire-Grid Polarizers in Terahertz Spectral Range, J. Nanosci. Nanotechnol., 2016, Vol. 18, No. 8
Specac Ldt., Science and Innovation Centre, Unit 12, Halo Business Park, Cray Ave, Orpington BR5 3FQ, United Kingdom

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Julia Holzmann

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