Prozesse mit reaktiven Gasströmungen sind von großer technischer Bedeutung für eine nachhaltige Energie- und Stoffkreislaufwirtschaft. Um diese Prozesse zu optimieren und neue, nachhaltige und effiziente Verfahren zu entwickeln, ist ein tiefgreifendes Verständnis der dabei ablaufenden physikalisch-chemischen Wechselwirkungen entscheidend. Hierfür ist eine nichtintrusive in situ Diagnostik mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung sowie Genauigkeit erforderlich, mit der Temperatur und Molanteile von Molekülen quantitativ bestimmt werden können. Die spontane Raman-Spektroskopie erfüllt diese Anforderungen, bringt aber auch Herausforderungen mit sich, wie das geringe Signal-Rausch-Verhältnis, die hohe Dimensionalität des Problems, die Überlagerung der Raman-Spektren einzelner Moleküle, Interferenzen mit anderen quantenmechanischen Effekten und Hintergrundstrahlung. Um diesen Herausforderungen zu begegnen und eine quantitative Analyse zu ermöglichen, müssen bestehende Auswerteverfahren weiterentwickelt und durch neue Methoden ergänzt werden.
Ziel der Forschungsarbeiten ist es, konventionelle Methoden zur Analyse von Raman-Spektren, wie das Spectral Fitting und die Matrix Inversion, weiterzuentwickeln. Diese Verbesserungen sollen die robuste Anwendung der Methoden in neuartigen Geräten ermöglichen. Diese Methoden basieren auf spektralen Fingerabdrücken, die derzeit nur für relativ einfache Moleküle wie N2, O2, H2, CO, CO2, H2O und N2O quantenmechanisch simuliert werden können. Ein weiteres Ziel der Forschungsarbeiten ist daher, die Ableitung dieser spektralen Fingerabdrücke aus experimentellen Raman-Spektren für Moleküle zu verbessern, die nicht hinreichend genau simuliert werden können. Zusätzlich sollen neue Verfahrenskomponenten entwickelt werden, die auf modernen Methoden des maschinellen Lernens basieren.
