Laborsoftware für Femtosekunden-Spektroskopie

Detaillierter Bericht

Einführung in die Femtosekunden-Spektroskopie

Die Femtosekunden-Spektroskopie ist ein optisches Verfahren, das ultrakurze Laserpulse im Bereich von Billiardstelsekunden ($10^{-15}$ Sekunden) nutzt, um molekulare Dynamiken in Echtzeit zu erfassen. Das Arbeiten auf dieser extrem kurzen Zeitskala ermöglicht es Forschenden, fundamentale Prozesse wie das Aufbrechen chemischer Bindungen, Energietransfers und molekulare Umlagerungen präzise in dem Moment zu beobachten, in dem sie stattfinden.

Die Experimente reichen von breitband Pump bis hin zu Mehrpuls-Experimenten, die drei oder mehr Anregungspulse nutzen. Fortschrittliche Weiterentwicklungen wie die FT-2D-IR (Fourier-Transform Two-Dimensional Infrared) und die VIPER-Spektroskopie (Vibrationally Promoted Electronic Resonance) kartieren die komplexen schwingungsspektroskopischen Kopplungen und strukturellen Landschaften molekularer Systeme mit hoher räumlicher und zeitlicher Präzision. Die Durchführung dieser anspruchsvollen Experimente erfordert eine präzise und synchronisierte Steuerung ultraschneller Laser, Analog-Digital-Wandler (ADCs) und optischer Verzögerungsstrecken (Delay-Stages).

Lineare Spektroskopie

In der traditionellen Spektroskopie wird eine breitband, oft kontinuierliche Lichtquelle verwendet, um zu detektieren, welche Lichtfrequenzen ein Material anregen. Bei diesen spezifischen Frequenzen wird die Lichtenergie von den Molekülen absorbiert und in eine andere Energieform umgewandelt. Je nach Frequenzbereich können Photonen ein Elektron des Moleküls in einen höheren elektronischen Zustand anregen (UV/Vis) oder einen Schwingungszustand des Moleküls anregen (IR).

Dieser Anregungsprozess führt dazu, dass die Intensität der Lichtquelle bei der spezifischen Frequenz abfällt, was mit einem geeigneten Detektor entweder in der Frequenz- oder im Zeitbereich gemessen werden kann. Daraus lässt sich ein von Menschen interpretierbares Absorptionsspektrum berechnen:

$$A(\omega )={ϵ}_{\omega }cd$$

Mit:

• $A(\omega )$: Die Absorption (Extinktion) des Materials bei einer bestimmten Kreisfrequenz $\omega$. Es ist ein dimensionsloses Maß dafür, wie viel Licht von der Probe absorbiert wird.
• ${ϵ}_{\omega }$: Der molare Extinktionskoeffizient bei der Frequenz $\omega$. Er gibt an, wie stark die chemische Spezies Licht bei dieser spezifischen Frequenz absorbiert.
• $c$: Die Konzentration der absorbierenden molekularen Spezies in der Probe.
• $d$: Die optische Weglänge, also die physikalische Distanz, die das Licht durch das Material zurücklegt (z.B. die Breite der Probenküvette).

Die Absorptionsbanden im Spektrum sind eindeutig an die Bindungen zwischen verschiedenen Atomen geknüpft, wodurch die lineare Spektroskopie die molekulare und atomare Zusammensetzung eines Materials identifizieren kann. Dies liefert jedoch keine Informationen darüber, was mit der absorbierten Energie geschieht, auf welcher Zeitskala die Anregung abklingt oder wie die Energie letztlich dissipiert wird.

Spektroskopie zweiter Ordnung

Spektroskopien höherer Ordnung nutzen mehrere Lichtpulse von sehr kurzer Dauer. Das grundlegendste Experiment zweiter Ordnung verwendet zwei breitbandige Pulse. Der erste Puls (der Pump-Puls) regt die Probe an, ähnlich wie in der linearen Spektroskopie. Anstatt jedoch das aus diesem Pump-Puls resultierende Spektrum zu messen, wird ein zweiter “Probe”-Puls (Abfragepuls) verwendet.

Der Probe-Puls erreicht die Probe Femto- bis Pikosekunden nach dem Pump-Puls. Dies wird erreicht, indem eine variable zusätzliche Weglänge in den Strahlengang des Probe-Pulses über eine präzise Verzögerungsstrecke eingeführt wird. Das Absorptionsspektrum dieses Probe-Pulses wird bei verschiedenen Verzögerungszeiten ($t_1$) gemessen. Da Forschende primär an der Differenz relativ zum unangeregten Zustand interessiert sind, wird das Differenzabsorptionsspektrum für die Probe-Frequenz ${\omega }_3$ berechnet:

$$\Delta A({\omega }_3)=A^{\ast }({\omega }_3)-A({\omega }_3)$$

Hier bezeichnet $A^{\ast }$ die Absorbanz im gepumpten/angeregten Zustand und $A$ die Absorbanz, wenn kein Pump-Puls vorhanden ist. Die Einschränkung eines breitbandigen Pump-Pulses besteht darin, dass die Probe über alle Zustände hinweg gleichzeitig angeregt wird. Obwohl Systemdynamiken beobachtet werden können, ist es unmöglich zu bestimmen, welche Anregungswellenlänge, und damit welcher spezifische Teil des Moleküls, die Beobachtungen verursacht hat.

2D-IR-Spektroskopie

In der 2D-IR-Spektroskopie wird das breitbandige Pump-Experiment erweitert, sodass die Frequenzinformation des Anregungspulses explizit berücksichtigt wird. Dies kann erreicht werden, indem der breitbandige Pump-Puls mit einem Fabry-Perot-Etalon (oder einem ähnlichen optischen Bauteil) spektral eingeengt wird und die Probenantwort über verschiedene Anregungswellenlängen (${\omega }_1$) hinweg erfasst wird. Dies ergibt das 2D-Differenzabsorptionsspektrum:

$$\Delta A({\omega }_1,{\omega }_3)=A^{\ast }({\omega }_1,{\omega }_3)-A({\omega }_3)$$

Alternativ kann die Frequenzinformation des Pump-Pulses im Zeitbereich mit einem Michelson-Interferometer gemessen werden. Dabei werden zwei breitbandige Pump-Pulse verwendet, deren Kohärenzzeit ($\tau$) gescannt wird. Anschließend wird eine Fourier-Transformation angewendet, um das 2D-IR-Differenzspektrum zu erhalten, was im Allgemeinen bessere experimentelle Ergebnisse liefert als Messungen im Frequenzbereich.

Zusammenfassend basiert das FT-2D-IR-Experiment auf drei präzise gesteuerten Pulsen:

• Zwei breitbandigen Pump-Pulsen, deren Kohärenzzeit $\tau$ über eine Verzögerungsstrecke im Michelson-Interferometer gescannt wird.
• Einem Probe-Puls, dessen Verzögerung $t_1$ mit einer separaten Verzögerungsstrecke variiert wird, nachdem das 2D-IR-Spektrum für eine gegebene Verzögerung gemessen wurde.

Typische Merkmale im 2D-IR-Spektrum

Wird ein 2D-IR-Differenzspektrum geplottet, zeigt es Paare von positiven und negativen Signalen (Peaks und Dips) entlang der Diagonalen (${\omega }_1={\omega }_3$) sowie abseits der Diagonalen (“Cross-Peaks”). Unter der Standardkonvention, bei der eine Abnahme der Absorption ein negatives Signal ergibt ($\Delta A<0$), resultieren diese spektralen Merkmale aus drei verschiedenen quantenmechanischen Pfaden.

1. Ground State Bleach (GSB) / Grundzustandsbleichen — $\Delta A<0$ (Minimum/Senke)

• Mechanismus: Die Pump-Pulse regen einen Teil der molekularen Population vom Schwingungsgrundzustand ($v=0$) in den ersten angeregten Schwingungszustand ($v=1$) an. Der ankommende Probe-Puls trifft daher auf weniger Moleküle im Grundzustand als im ungepumpten Fall.
• Ergebnis: Weniger Probe-Licht wird bei der fundamentalen Übergangsfrequenz absorbiert, was ein negatives Signal exakt auf der Diagonalen erzeugt bei:

$$({\omega }_1,{\omega }_3)=({\omega }_{v:0\to 1},{\omega }_{v:0\to 1})$$

2. Stimulated Emission (SE) / Stimulierte Emission — $\Delta A<0$ (Minimum/Senke)

• Mechanismus: Bei Molekülen, die in den $v=1$-Zustand angeregt wurden, induziert der Probe-Puls kohärent einen Übergang zurück in den Grundzustand ($v=1\to v=0$).
• Ergebnis: Dieser Übergang emittiert ein Photon, das kollinear und kohärent zum Probe-Strahl ist. Der Detektor registriert dies als scheinbaren Anstieg der transmittierten Intensität, was sich perfekt mit dem GSB-Signal überschneidet bei:

$$({\omega }_1,{\omega }_3)=({\omega }_{v:0\to 1},{\omega }_{v:0\to 1})$$

3. Excited State Absorption (ESA) / Absorption aus dem angeregten Zustand — $\Delta A>0$ (Peak)

• Mechanismus: Der Probe-Puls kann auch einen aufwärts gerichteten Übergang für die im $v=1$-Zustand befindliche Population induzieren und sie in den zweiten angeregten Schwingungszustand ($v=2$) anregen. Dieser $v=1\to v=2$-Pfad existiert nur, wenn der Pump-Puls aktiv ist.
• Ergebnis: Die Probe absorbiert zusätzliche Probe-Intensität, was zu einem positiven Signal führt. Dieser Peak befindet sich bei den Koordinaten:

$$({\omega }_1,{\omega }_3)=({\omega }_{v:0\to 1},{\omega }_{v:1\to 2})$$

Die Rolle der Schwingungsanharmonizität

Wenn sich molekulare Schwingungen wie perfekte harmonische Oszillatoren verhalten würden, wäre die Energielücke zwischen $v=0\to v=1$ gleich der Lücke zwischen $v=1\to v=2$. Der positive ESA-Peak würde sich perfekt mit der negativen GSB/SE-Senke überlagern und das Signal auslöschen ($\Delta A=0$).

Reale molekulare Bindungen sind jedoch anharmonisch. Unter Verwendung einer Taylor-Entwicklung der potenziellen Energie gilt:

$$E_v=\hslash {\omega }_e\left(v+\frac{1}{2}\right)-\hslash {\chi }_e{\left(v+\frac{1}{2}\right)}^2$$

Wobei ${\omega }_e$ die harmonische Frequenz und ${\chi }_e$ die Anharmonizitätskonstante ist. Die Übergangsenergien sind:

$${\omega }_{v:0\to 1}=\frac{E_1-E_0}{\hslash }={\omega }_e-2{\chi }_e$$ $${\omega }_{v:1\to 2}=\frac{E_2-E_1}{\hslash }={\omega }_e-4{\chi }_e$$

Die Differenz zwischen diesen Übergängen definiert die Schwingungsanharmonizität ($\Delta$):

$$\Delta ={\omega }_{v:0\to 1}-{\omega }_{v:1\to 2}=2{\chi }_e$$

Da $\Delta >0$ ist, tritt der $v=1\to v=2$-Übergang bei einer niedrigeren Frequenz auf (${\omega }_{v:1\to 2}<{\omega }_{v:0\to 1}$). Folglich ist der positive ESA-Peak entlang der Detektionsachse (${\omega }_3$) nach unten verschoben, was ihn sauber von dem negativen GSB/SE-Paar trennt.

VIPER-Spektroskopie

Die VIPER-Spektroskopie (Vibrationally Promoted Electronic Resonance) führt einen zusätzlichen UV/Vis-Anregungspuls ein, um die Lebensdauer der angeregten Zustände von Pikosekunden auf Millisekunden zu verlängern. Der UV/Vis-Puls regt die bereits schwingungsangeregten Moleküle in einen höheren elektronischen Zustand an. Er beleuchtet die Probe nach einer Verzögerung $t_2$ im Anschluss an den IR-Pump-Puls. Die Etablierung einer neuen zeitaufgelösten Variante dieses Experiments, Fourier-Transform-VIPER, war der wissenschaftliche Hauptantrieb für die Modernisierung des Software-Stacks des Labors.

Die Legacy-Software als Flaschenhals

Vor diesem architektonischen Refactoring nutzte die Forschungsgruppe Visual Basic 6 zur Hardwaresteuerung für VIPER-Experimente im Frequenzbereich. Diese Software, die vom Leiter der Forschungsgruppe vor über 25 Jahren eingeführt wurde, wurde über Generationen von Domänenexperten für Spektroskopie, nicht jedoch von Software-Ingenieuren, organisch erweitert.

Da die Anfänge der Software noch vor modernen Versionskontrollsystemen wie Git lagen, litt die Codebasis unter Duplikationen, mangelnder Abstraktion und einer fehlenden zentralen Dokumentation. Kritisches Wissen ging verloren; so stützte sich beispielsweise der Abstimmungsalgorithmus für das Fabry-Perot-Etalon auf hartcodierte Konstanten, deren physikalische Herleitungen über die Zeit verloren gegangen waren.

Gleichzeitig war ein zweites Setup für FT-2D-IR-Experimente im Zeitbereich unter Verwendung von LabVIEW aufgebaut worden. Obwohl die grafische Programmieroberfläche von LabVIEW für Anfänger leicht zugänglich ist, war sie mit zunehmender Projektgröße zu unwartbarem “Spaghetti-Code” degradiert. Darüber hinaus schuf sie eine explizite Abhängigkeit von teurer, proprietärer Software. Die Etablierung von FT-VIPER erforderte die physische und logische Zusammenführung der Hardware und Software beider unterschiedlicher Setups.

Architektonisches Refactoring zu Python

Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwarfen und implementierten wir von Grund auf ein komplett neues Mess-Software-System mit Python. Die Architektur basierte auf strengen Software-Engineering-Prinzipien:

• Einheitliche Abstraktion: Vereinheitlichung und Ablösung der veralteten Visual Basic- und LabVIEW-Lösungen durch eine einzige, nicht-proprietäre Plattform.
• Versionsverwaltung & CI/CD: Umstellung auf Git zur Versionskontrolle, um eine strukturierte, wartbare und sichere parallele Entwicklung über mehrere Forschende hinweg zu gewährleisten.
• Documentation as Code: Implementierung einer zentralisierten, automatisch generierten Dokumentation via Sphinx, kombiniert mit rigorosen Python-Docstrings, um algorithmisches Legacy-Wissen festzuhalten.
• Code-Standardisierung: Durchsetzung von PEP 8-Konformität und automatisierten Code-Formatierern (wie Black), um Konsistenz zu garantieren.

Separation of Concerns & Modularer Aufbau

Wir haben die Software in sechs stark entkoppelte Einheiten strukturiert, um Hardware-Interaktionen von der Datenverarbeitung zu isolieren:

1. Hardware-Module: Das Fundament des Systems. Wir haben eigenständige Python-Schnittstellen für jedes Gerät entwickelt, einschließlich National Instruments ADCs, motorisierter Physik Instrumente-Stages, Horiba Triax-Spektrometer, benutzerdefinierter Mikrocontroller-Elektronik und vielem mehr. Jedes Modul kann für direkte Hardware-Tests isoliert ausgeführt werden.
2. Hardware-Konfigurationsdateien (JSON): Um sicherzustellen, dass die Software zwischen verschiedenen Laboren portabel ist, wurden alle Hardwareparameter (COM-Ports, Startgeschwindigkeiten, Fit-Parameter für die Pixel-Linearisierung) in menschenlesbare JSON-Dateien abstrahiert. Durch diese Modularität kann ein neues Labor einfach eine Config-Datei austauschen, anstatt den Kerncode ändern zu müssen.
3. High-Performance-Datenverarbeitung: Zentralisierte Berechnungsroutinen, die stark auf NumPy basieren. Algorithmen wurden aggressiv optimiert; beispielsweise wurde die Datensortiermethode so konzipiert, dass sie 100 kSamples pro Sekunde verarbeiten kann, um Datenstaus während der Live-Erfassung zu vermeiden. Wir haben zudem die fundamentale mathematische Herausforderung der Mittelung von erfassten Daten gelöst, um optimale Signal-Rausch-Verhältnisse zu garantieren.
4. Experimente & GUI-Generierung: Die Benutzeroberfläche wurde dynamisch aus QtDesigner-UI-Dateien generiert und auf lokalisierte Python-Widgets gemappt. Da Standardbibliotheken wie Matplotlib für die erforderlichen Aktualisierungsraten zu langsam waren, haben wir pyqtgraph integriert, um 2D-Plots und Diagramme in nahezu Echtzeit zu rendern.

Fazit

Das Python-Refactoring war ein voller Erfolg. Es diente nicht nur als robuster Ersatz für die Legacy-Systeme, sondern verbesserte inhärent auch die Performance aller bisherigen experimentellen Routinen. Am wichtigsten ist jedoch, dass die Modularität der neuen Architektur es uns ermöglichte, in kürzester Zeit zwei völlig neue Experimenttypen zu implementieren:

• Fourier-Transform VIPER
• UV/VIS Pump - IR Probe mit geteilter Probenzelle (Split Sample Cell)

Dies beweist, dass sich die Software von einer starren Einschränkung zu einem flexiblen Fundament für zukünftige wissenschaftliche Entdeckungen entwickelt hat.

Grafische Benutzeroberfläche der Laborsoftware

Swipe

Die refaktorierte Laborsoftware führt ein Fourier-Transform 2D-IR-Experiment aus

Ein Abstimmungsexperiment wird durchgeführt, um die Position der Verzögerungsstrecke zu ermitteln, bei der Pump- und Probe-Strahl zeitlich überlappen

Die Laborsoftware führt das neu implementierte Fourier-Transform-VIPER-Experiment aus

Diese Experimentierroutine dient zur Justierung der Optik für ein anstehendes Experiment durch die Anzeige eines Differenzabsorptionssignals

Um ein VIPER-Experiment durchzuführen, muss eine Setup-Routine ausgeführt werden, um die korrekte Einstellung der Chopper zu bestimmen

Publikationen & Weiterführende Literatur

• Jagan Laborsoftware Dokumentation
• Deniz, E., Löffler, J. G., Kondratiev, A., Thun, A. R., Shen, Y., Wille, G., & Bredenbeck, J. (2022). High-precision background correction and artifact suppression for ultrafast spectroscopy by quasi-simultaneous measurements in a split-sample cell. Review of Scientific Instruments, 93(3). https://doi.org/10.1063/5.0079958
• Brunst, H., Masood, H. M. A., Thun, A. R., Kondratiev, A., Wille, G., van Wilderen, L. J. G. W., & Bredenbeck, J. (2022). A Triplet Label Extends Two‐Dimensional Infrared Spectroscopy from Pico‐ to Microseconds. Angewandte Chemie International Edition, 61(49). https://doi.org/10.1002/anie.202211490