{"id":{"repo_id":"freiburg-diss","oai_identifier":"oai:freidok.uni-freiburg.de:233"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/freiburg-diss/oai:freidok.uni-freiburg.de:233","repository":{"repo_id":"freiburg-diss","name":"University of Freiburg","base_url":"https://freidok.uni-freiburg.de/oai/oai2.php"},"display":{"title":"MIR-Evaneszentwellenspektroskopie mit niedermodigen Wellenleitern","abstract":"Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den physikalischen Grundlagen und der Anwendung der Evaneszentwellenspektroskopie (EWS), die auf dem Effekt der abgeschwächten Totalreflektion beruht. Das Verfahren wurde hierbei zum spektroskopischen Nachweis von organischen Stoffen in wässrigen Lösungen im Wellenlängenbereich des mittleren Infrarot (MIR, 2,5-25µm) eingesetzt. Zur Steigerung der Empfindlichkeit kam eine Festphasenextraktionsmethode zur Anwendung, durch die der Zielanalyt vom stark absorbierenden Wasser getrennt wird. Dies geschieht durch Anreicherung des Analyten in einer Polymerschicht, die sich im evaneszenten Feld eines Wellenleiters befindet.
Zur Abschätzung und Optimierung der Leistung eines aus Lichtquelle, Sensorwellenleiter, Wellenlängenselektion, Detektor und Elektronik bestehenden Systems wurde ein physikalisches Modell erstellt, das Modell auf der Berechnung des spektralen Leistungsflusses durch das System beruht.
Bei der Untersuchung von zwei Testsystemen für die Konzentrationsbestimmungen organischer Verbindungen in wässriger Lösung wurden Nachweisgrenzen im unteren ppm-Konzentrationsbereich ermittelt. Mit Hilfe des theoretischen Modells konnte gezeigt werden, dass die Empfindlichkeit beider Systeme bis in den sub-ppm Bereich erhöht werden kann.
Durch die in dieser Arbeit durchgeführte Entwicklung von niedermodigen Planarwellenleitern für das mittlere Infrarot soll die Empfindlichkeit von EWS-Systemen weiter gesteigert werden. Dazu wurden Planarwellenleiter durch Abscheidung von 1,2 bis 1,5µm dicken Germaniumschichten auf Siliziumsubstraten angefertigt. Diese Wellenleiter wurden mit Hilfe der M-Linien-Spektroskopie charakterisiert. Bei einer Wellenlänge von 10,6µm wurden Dämpfungsverluste in der Größenordnung von einigen 10dB/cm gemessen. Diese Verluste sind zu groß für den Einsatz in Sensorsystemen. Es ist jedoch zu erwarten, dass eine Optimierung des Abscheidungsprozesses die Dämpfung in einem ausreichenden Maß reduziert.","abstract_html":"Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den physikalischen Grundlagen und der Anwendung der Evaneszentwellenspektroskopie (EWS), die auf dem Effekt der abgeschwächten Totalreflektion beruht. Das Verfahren wurde hierbei zum spektroskopischen Nachweis von organischen Stoffen in wässrigen Lösungen im Wellenlängenbereich des mittleren Infrarot (MIR, 2,5-25µm) eingesetzt. Zur Steigerung der Empfindlichkeit kam eine Festphasenextraktionsmethode zur Anwendung, durch die der Zielanalyt vom stark absorbierenden Wasser getrennt wird. Dies geschieht durch Anreicherung des Analyten in einer Polymerschicht, die sich im evaneszenten Feld eines Wellenleiters befindet. <br>Zur Abschätzung und Optimierung der Leistung eines aus Lichtquelle, Sensorwellenleiter, Wellenlängenselektion, Detektor und Elektronik bestehenden Systems wurde ein physikalisches Modell erstellt, das Modell auf der Berechnung des spektralen Leistungsflusses durch das System beruht. <br>Bei der Untersuchung von zwei Testsystemen für die Konzentrationsbestimmungen organischer Verbindungen in wässriger Lösung wurden Nachweisgrenzen im unteren ppm-Konzentrationsbereich ermittelt. Mit Hilfe des theoretischen Modells konnte gezeigt werden, dass die Empfindlichkeit beider Systeme bis in den sub-ppm Bereich erhöht werden kann. <br>Durch die in dieser Arbeit durchgeführte Entwicklung von niedermodigen Planarwellenleitern für das mittlere Infrarot soll die Empfindlichkeit von EWS-Systemen weiter gesteigert werden. Dazu wurden Planarwellenleiter durch Abscheidung von 1,2 bis 1,5µm dicken Germaniumschichten auf Siliziumsubstraten angefertigt. Diese Wellenleiter wurden mit Hilfe der M-Linien-Spektroskopie charakterisiert. Bei einer Wellenlänge von 10,6µm wurden Dämpfungsverluste in der Größenordnung von einigen 10dB/cm gemessen. Diese Verluste sind zu groß für den Einsatz in Sensorsystemen. Es ist jedoch zu erwarten, dass eine Optimierung des Abscheidungsprozesses die Dämpfung in einem ausreichenden Maß reduziert.","abstract_has_math":false,"creators":["Hahn, Peter"],"institution":null,"degree_name":null,"degree_level":null,"degree_discipline":null,"degree_department":null,"school":null,"contributors":["Tacke, Maurus"],"advisors":[],"committee_chairs":[],"committee_members":[],"year":null,"date_issued":"","date_published":null,"updated_at":"2026-07-24T02:21:35Z","subjects":[],"languages":[],"rights":[],"rights_urls":[],"identifier_entries":[]},"links":{"outbound_url":"https://freidok.uni-freiburg.de/data/233","outbound_label":"Repository record","outbound_source":"source_url"},"metadata_groups":[{"id":"people","label":"People","entries":[{"key":"dc:contributor","label":"Contributor","values":["Tacke, Maurus"]},{"key":"dc:creator","label":"Author","values":["Hahn, Peter"]}]},{"id":"academic_context","label":"Academic Context","entries":[{"key":"dc:type","label":"Dc Type","values":["DoctoralThesis"]}]},{"id":"additional","label":"Additional Metadata","entries":[{"key":"dc:description.abstract","label":"Abstract","values":["Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den physikalischen Grundlagen und der Anwendung der Evaneszentwellenspektroskopie (EWS), die auf dem Effekt der abgeschwächten Totalreflektion beruht. Das Verfahren wurde hierbei zum spektroskopischen Nachweis von organischen Stoffen in wässrigen Lösungen im Wellenlängenbereich des mittleren Infrarot (MIR, 2,5-25µm) eingesetzt. Zur Steigerung der Empfindlichkeit kam eine Festphasenextraktionsmethode zur Anwendung, durch die der Zielanalyt vom stark absorbierenden Wasser getrennt wird. Dies geschieht durch Anreicherung des Analyten in einer Polymerschicht, die sich im evaneszenten Feld eines Wellenleiters befindet.
Zur Abschätzung und Optimierung der Leistung eines aus Lichtquelle, Sensorwellenleiter, Wellenlängenselektion, Detektor und Elektronik bestehenden Systems wurde ein physikalisches Modell erstellt, das Modell auf der Berechnung des spektralen Leistungsflusses durch das System beruht.
Bei der Untersuchung von zwei Testsystemen für die Konzentrationsbestimmungen organischer Verbindungen in wässriger Lösung wurden Nachweisgrenzen im unteren ppm-Konzentrationsbereich ermittelt. Mit Hilfe des theoretischen Modells konnte gezeigt werden, dass die Empfindlichkeit beider Systeme bis in den sub-ppm Bereich erhöht werden kann.
Durch die in dieser Arbeit durchgeführte Entwicklung von niedermodigen Planarwellenleitern für das mittlere Infrarot soll die Empfindlichkeit von EWS-Systemen weiter gesteigert werden. Dazu wurden Planarwellenleiter durch Abscheidung von 1,2 bis 1,5µm dicken Germaniumschichten auf Siliziumsubstraten angefertigt. Diese Wellenleiter wurden mit Hilfe der M-Linien-Spektroskopie charakterisiert. Bei einer Wellenlänge von 10,6µm wurden Dämpfungsverluste in der Größenordnung von einigen 10dB/cm gemessen. Diese Verluste sind zu groß für den Einsatz in Sensorsystemen. Es ist jedoch zu erwarten, dass eine Optimierung des Abscheidungsprozesses die Dämpfung in einem ausreichenden Maß reduziert.","This thesis deals with the physical basics and the application of evanescent field spectroscopy (EWS), which is based on the effect of attenuated total reflection. The EWS-method was employed for the spectroscopic detection of organic substances diluted in water in the mid infrared (MIR) wavelength range (2.5-25µm). In order to enhance the sensitivity of such a measurement, a solid phase extraction method was used to separate analyte molecules from the strongly absorbing water matrix and enrich them in a polymer coating placed in the evanescent field of the waveguide.
In order to estimate and optimise the performance of a sensor system consisting of light source, sensing waveguide, wavelength selection, detector, and electronics a comprehensive physical model of such a system was developed. This model is based on the calculation of the flux of spectral power through the system.
Two test systems for concentration measurements of organics in aqueous solutions were studied, detection limits in the low ppm concentration range were found for both systems. The application of the theoretical model exhibited the potential to enhance the sensitivity of both systems to the sub-ppm level.
The development of low-modal planar MIR-waveguides carried out in this work aims at an increased sensitivity of EWS-systems. Planar waveguides were fabricated by depositing Germanium layers of 1.2 to 1.5µm thickness on Silicon substrates. The devices were characterised by m-line spectroscopy, showing high losses in the order of some 10dB/cm at a wavelength of 10.6µm. Although this values are too high for using the waveguides in sensor systems, an optimisation of the deposition process will most probably reduce the losses sufficiently."]},{"key":"dc:format.medium","label":"Dc Format Medium","values":["application/pdf"]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["MIR-Evaneszentwellenspektroskopie mit niedermodigen Wellenleitern","MIR-evanescent wave spectroscopy using low-modal waveguides"]}]}],"canonical_facts":{"dc:contributor":["Tacke, Maurus"],"dc:creator":["Hahn, Peter"],"dc:description.abstract":["Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den physikalischen Grundlagen und der Anwendung der Evaneszentwellenspektroskopie (EWS), die auf dem Effekt der abgeschwächten Totalreflektion beruht. Das Verfahren wurde hierbei zum spektroskopischen Nachweis von organischen Stoffen in wässrigen Lösungen im Wellenlängenbereich des mittleren Infrarot (MIR, 2,5-25µm) eingesetzt. Zur Steigerung der Empfindlichkeit kam eine Festphasenextraktionsmethode zur Anwendung, durch die der Zielanalyt vom stark absorbierenden Wasser getrennt wird. Dies geschieht durch Anreicherung des Analyten in einer Polymerschicht, die sich im evaneszenten Feld eines Wellenleiters befindet.
Zur Abschätzung und Optimierung der Leistung eines aus Lichtquelle, Sensorwellenleiter, Wellenlängenselektion, Detektor und Elektronik bestehenden Systems wurde ein physikalisches Modell erstellt, das Modell auf der Berechnung des spektralen Leistungsflusses durch das System beruht.
Bei der Untersuchung von zwei Testsystemen für die Konzentrationsbestimmungen organischer Verbindungen in wässriger Lösung wurden Nachweisgrenzen im unteren ppm-Konzentrationsbereich ermittelt. Mit Hilfe des theoretischen Modells konnte gezeigt werden, dass die Empfindlichkeit beider Systeme bis in den sub-ppm Bereich erhöht werden kann.
Durch die in dieser Arbeit durchgeführte Entwicklung von niedermodigen Planarwellenleitern für das mittlere Infrarot soll die Empfindlichkeit von EWS-Systemen weiter gesteigert werden. Dazu wurden Planarwellenleiter durch Abscheidung von 1,2 bis 1,5µm dicken Germaniumschichten auf Siliziumsubstraten angefertigt. Diese Wellenleiter wurden mit Hilfe der M-Linien-Spektroskopie charakterisiert. Bei einer Wellenlänge von 10,6µm wurden Dämpfungsverluste in der Größenordnung von einigen 10dB/cm gemessen. Diese Verluste sind zu groß für den Einsatz in Sensorsystemen. Es ist jedoch zu erwarten, dass eine Optimierung des Abscheidungsprozesses die Dämpfung in einem ausreichenden Maß reduziert.","This thesis deals with the physical basics and the application of evanescent field spectroscopy (EWS), which is based on the effect of attenuated total reflection. The EWS-method was employed for the spectroscopic detection of organic substances diluted in water in the mid infrared (MIR) wavelength range (2.5-25µm). In order to enhance the sensitivity of such a measurement, a solid phase extraction method was used to separate analyte molecules from the strongly absorbing water matrix and enrich them in a polymer coating placed in the evanescent field of the waveguide.
In order to estimate and optimise the performance of a sensor system consisting of light source, sensing waveguide, wavelength selection, detector, and electronics a comprehensive physical model of such a system was developed. This model is based on the calculation of the flux of spectral power through the system.
Two test systems for concentration measurements of organics in aqueous solutions were studied, detection limits in the low ppm concentration range were found for both systems. The application of the theoretical model exhibited the potential to enhance the sensitivity of both systems to the sub-ppm level.
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