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Die Arbeit behandelt die Anwendung der Cavity-Ringdown-Spektroskopie als Plasmadiagnostik für Niederdruck-Wasserstoffplasmen. Bei der Cavity-Ringdown-Spektroskopie (CRDS) handelt es sich um ein Verfahren der Absorptionsspektroskopie. Das Verfahren basiert auf der Messung der Abklingzeit eines optischen Resonators, welcher das absorbierende Medium (in diesem Fall Wasserstoffplasmen) enthält und von außen durch Laserstrahlung angeregt wird. Das Abklingverhalten des Resonators reagiert sehr empfindlich auf das Absorptionsspektrum der Probe, so daß so Absorptionskoeffizienten von bis zu 10^-9 cm-1 gemessen werden können. Die Methode findet im Rahmen der Arbeit Anwendung auf zwei verschiedene Niederdruckplasmen und zwei verschiedene Plasmaspezies: In einem Mikrowellenplasma (Experiment an der Universität Augsburg) konnte ein Absorptionssignal des Molekülions H3+ mit einer Spitzenabsorption von lediglich 4x10^-8 cm^-1 erfolgreich nachgewiesen werden. Dies zeigt die Anwendbarkeit der CRDS als Diagnostik für bereits bestehende Laborplasmen. In einer hochfrequenzangeregten Ionenquelle (MPI für Plasmaphysik, Garching) konnte die Dichte negativer Wasserstoffionen (H-) und Deuteriumionen (D-) für verschiedene Experimentparameter quantitativ bestimmt werden. Die Arbeit zeigt die Anwendung der CRDS als leistungsfähige Plasmadiagnostik für Meßgrößen, welche ansonsten nicht zugänglich wären. This work is about the application of cavity-ringdown-spectroscopy to low pressure hydrogen plasmas for plasma diagnostics. Cavity-ringdown-spectroscopy is a method of absorption spectroscopy. It is based on the measurement of the decay constant of light stored in an optical cavity. The optical cavity is pumped by an external laser source and contains the absorbing medium (hydrogen plasmas in this case). The decay constant of the light transmitted out of the cavity is extremely sensitive to additional absorptions. In this way, coefficients of absorption as low as 10^-9 cm^-1 can be resolved. The method is applied to two experimental setups: It is used for the detection of the H3+ molecular ion in a microwave driven discharge, and for the detection of H- in a RF-driven source for negative Ions. It is shown that cavity-ringdown-spectroscopy can give systematic measurements of quantities not accessible by other non-invasive diagnostic methods.

In der vorliegenden Arbeit wird die Anwendung der hochauflösenden absorptionsspektroskopischen Methode der Cavity-Ringdow-Spectroscopy (CRDS) auf Sputterprozesse an Silizium und Quarz beschrieben, die durch einen Argon- oder Sauerstoffionenstrahl niedriger Energie einer neu entwickelten Ionenquelle generiert werden. Anhand der Ergebnisse der Messungen wird die Sputterwirkung der Plasmaionen einer Ionenquelle auf ihre Komponenten diskutiert. Sputterprozesse bestimmen im Wesentlichen die Lebensdauer der Bauteile in Plasma- und Ionenquellen, die im direkten Kontakt zum Plasma stehen, wie aus Silizium hergestellte Ionenextraktionsoptiken oder Plasmawände aus Quarz. Aufgrund der Wechselwirkung der Ionen mit den Festkörperoberflächen der Komponenten kommt es in beiden Fällen zum Herauslösen (Sputtern) einiger Atome aus dem Festkörperverbund. Sputterprozesse niedriger Ionenenergie ( Zur Berechnung des Sputteryields mittels CRDS wird anhand der Absorption die absolute Siliziumdichte und, unter der Anwendung eines neu entwickelten mathematischen Modells, die Geschwindigkeitsverteilung vor dem Target ermittelt. Der Sputteryield ergibt sich aus dem Quotienten von Silizium- und Ionenfluss. Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse wird die Sputterwirkung der Ionen im Plasma auf die Quarzwände der Plasmakammer und die Ionenextraktionsoptik diskutiert. Dabei erfolgt eine Abschätzung von Erosionseffekten, die die Lebensdauer der Komponenten der Ionenquelle bestimmen. The application of the very sensitive absorption method of cavity ring-down spectroscopy (CRDS) on sputtering processes on silicon and quartz generated by both a low energy argon or oxygen ion beam performed by a newly developed ion source will be presented in this work. With the results of these measurements the sputtering effects of plasma ions of an ion source on its components will be discussed. Sputtering processes are decisive for the lifetime of plasma and ion source components, which are in contact to the plasma itself – this means especially ion extraction optics out of silicon or quartz plasma walls. In both cases some atoms of the solid get sputtered due to the interaction of the ions with the surface of the mentioned components. Investigation of significant low ion energy sputtering processes (< 1keV) are incomplete. To obtain sputtering yield of a silicon or a quartz target generated by a low energy ion beam CRDS is used. By measuring the absolute silicon density by absorption analysis using CRDS one can calculate the silicon sputtering yield. For this one can obtain the particle velocity distribution by using a newly developed mathematical model. The sputtering yield results from the quotient of the silicon’s and the ions’ fluxes. From the results of this work sputtering effects on quartz plasma walls and the ion extraction optics made of silicon can be discussed. Erosion effects which determine the life time of the ion source’s components can be estimated.

Over the last decades, numerous developments in the field of standard separation sciences as well as in bioanalytics and biosensor technology have resulted in micro and nanoliter detection volumes. This has motivated the development of suitable and sensitive detection methods for these small volumes. In the present dissertation, detection methods based on cavity-ring-down-spectroscopy for standard separation methods and bioanalytical techniques were developed.

Higher nitrogen oxides (NO$_{2}$, NO$_{3}$, N$_{2}$O$_{5}$) play a key-role in the lower atmosphere. At first hand nitrogen dioxide (NO$_{2}$) is conductive to the build-up of tropospheric ozone (O$_{3}$). On the other hand, the nitrate-radical (NO$_{3}$) controls the nighttime pollutant degradation by oxidating volatile organic compounds (VOCs), which can be removed from the atmosphere subsequently. To analyze nitrogen oxides, there are different measurement techniques. The so called cavity-ringdown-spectroscopy is an optical technique developed by Anthony O'Keefe and David A. G. Deacon in 1988. This work covers the development, the build-up, the characterization and first applications of two cavity-ringdown-instruments for simultaneous measurement of NO$_{2}$, NO and O$_{3}$ and accordingly NO$_{3}$ and N$_{2}$O$_{5}$. The characterization of the NO$_{2}$-instrument contains accuracy and precision as well as an internal comparison of the different instrument-channels and an external comparison with a chemiluminescence-instrument during first applications at SAPHIR simulation chamber at Forschungszentrum Jülich GmbH. The NO$_{3}$-CRDS-instrument is tested for possible instrument-losses beside the determination of accuracy and precision. Furthermore the instrument was applyed at SAPHIR chamber during a measurement campaign to rate the chamber-losses for NO$_{3}$ and N$_{2}$O$_{5}$ via kinetic approach. In addition the degradation of chosen VOCs (isoprene, $\beta$-pinene and limonene) by reaction with NO$_{3}$ was analyzed. By kinetic approach the rate-constant of these reactions were determined.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein monolithischer Resonator aus Silizium hergestellt und damit Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy (CEAS) an dünnen Filmen von Lactalbumin durchgeführt. Es wurde dabei ausgenutzt, dass auf einer Resonatorfläche Totalreflexion auftrat. Nach Aufbringen eines Absorber auf diese Fläche, wurde ein Teil der Strahlung absorbiert (Attenuated Total Reflection, ATR), was zur Aufnahme von Absorptionsspektren ausgenutzt wurde. Um eine hohe Empfindlichkeit bei CEAS zu erreichen, muss der Resonator eine hohe Güte besitzen. Hierfür werden hochreflektierende Spiegel benötigt, welche für den Ferninfrarotbereich nicht kommerziell erhältlich sind. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit neuartige hochreflektierende Multilagenspiegel aus Silizium hergestellt und charakterisiert. Auch Vorexperimente zur Cavity Ringdown Spectroscopy und zur Untersuchung von Bakterienkulturen wurden durchgeführt.