SCALA ist eine Kalibrationseinheit für den SuperNova Integral Feld Spektrographen (SNIFS) der am 2,2 m Teleskop der Universität Hawaii montiert ist. SCALA wurde gebaut um die Unsicherheiten in der Flusskalibration von Leuchtkraftentfernungen zu reduzieren. Dadurch erlaubt SCALA die mögliche zeitliche Veränderung der Dunklen Energie besser zu vermessen. SCALA ermöglicht die Kalibration von SNIFS relativ zu einem Laborstandard, der durch eine Photodiode realisiert ist, die relative zu einem Primärstandard am NIST (National Institute of Standards and Technology) kalibriert ist. Zur Übertragung der Kalibration werden SNIFS und die Photodiode gleichzeitig von einer monochromatischen, wellenlängen einstellbaren Lichtquelle beleuchtet. Dadurch wird ein Vergleich zwischen dem astronomischen CALSPEC System und dem Laborsystem möglich. Erste Ergebnisse von SCALA wurden in der Dissertation von Simona Lombardo vorgestellt. Wir haben nun mehrere Quellen von systematischen Effekten identifiziert, die unsere Messungen beeinflussen. Nach der Korrektur dieser Effekte stimmt die Wellenlängenabhängigkeit der Kalibration an Hand von SCALA und CALSPEC im Wellenlängenbereich 450 nm ,bis 900 nm,im Fehlerbereich von 1,5 % überein. In der Zukunft könnten die Quellen von systematischen Effekte durch Veränderungen am Messaufbau unterdrückt werden. Dies ermöglicht Vergleiche zwischen CALSPEC und SCALA im Fehlerbereich < 1%, außerdem könnte der Wellenlängenbereich bis zu 350 nm erweitert werden. / SCALA is a calibration system for the SuperNova Integral Field Spectrograph (SNIFS), which is mounted to the University Hawaii 2.2 m telescope. The aim of SCALA is to reduce the uncertainties on the flux calibration for luminosity distance measures. It therefore allows the reduction of the uncertainties on the time variability of the Dark Energy. SCALA enables us to calibrate SNIFS relative to a laboratory standard, which is realized by a photodiode, that is itself calibrated against a primary standard at NIST (National Institute of Standards and Technology). To transfer the calibration, we illuminate both the photodiode and SNIFS with a wavelength-tunable, monochromatic light source. This calibration allows us to compare the laboratory system to the astronomical CALSPEC system. The first results were presented in dissertation of Simona Lombardo. We have now identified several sources of systematic uncertainty that were affecting our measurements. After correcting for these effects, the wavelength-dependency of the calibration by SCALA agrees with the CALSPEC system in the wavelength range 450 nm to 900 nm (within our uncertainties of 1.5%). In the future, the identified sources of systematic uncertainty could be reduced through improvements to the setup. This would allow comparisons to the CALSPEC system with uncertainties < 1 % and a wavelength range extension down to 350nm.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Studien untersuchen verschiedene Ansätze für die Analyse von spektroskopischen Daten für die Erforschung anderer Himmelskörper. Der Fokus lag hierbei auf der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS, engl. laser-induced breakdown spectroscopy), aber auch Daten der Raman-Spektroskopie wurden analysiert. Das erste extraterrestrisch eingesetzte LIBS Instrument, ChemCam, auf dem Mars Science Laboratory (MSL) der NASA untersucht die Marsoberfläche seit 2012 und weitere Missionen mit LIBS und Raman Instrumenten zum Mars sind geplant. Neben analytischen Ansätzen wurden statistische Methoden, die als multivariate Datenanalysen (MVA) bekannt sind, verwendet und evaluiert. In dieser Arbeit werden insgesamt vier Studien vorgestellt. In der ersten Studie wurde die Normalisierung von LIBS Daten mit Plasmaparametern, also der Plasmatemperatur und der Elektronendichte, untersucht. In der zweiten Studie wurden LIBS Messungen unter Vakuumbedingungen im Hinblick auf den Ionisierungsgrad des Plasmas untersucht. In der dritten Studie wurden MVA Methoden wie die Hauptkomponentenanalyse (PCA) und die partielle Regression kleinster Quadrate (PLS-R) zur Identifizierung und Quantifizierung von Halogenen mittels molekularer Emissionen angewandt. Die Ergebnisse sind vielversprechend, da es möglich war z.B. Chlor in einem ausgewählten Konzentrationsbereich zu quantifizieren. In der letzten Studie wurden LIBS-Daten mit komplementären Raman-Daten von Mars relevanten Salzen in einem low-level Datenfusionsansatz kombiniert. Es wurden MVA Methoden angewandt und auch Konzepte der high-level Datenfusion implementiert. Mit der low-level LIBS und Raman Datenfusion konnten im Vergleich zu den einzelnen Techniken mehr Salze richtig identifiziert werden. Der Gewinn durch die low-level Datenfusion ist jedoch vergleichsweise gering und für konkrete Missionen müssen individuelle und angepasste Strategien für die gemeinsame Analyse von LIBS und Raman-Daten gefunden werden. / The studies presented in this thesis investigate different data analysis approaches for mainly laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) and also Raman data in the context of planetary in-situ exploration. Most studies were motivated by Mars exploration due to the first extraterrestrially employed LIBS instrument ChemCam on NASA's Mars Science Laboratory (MSL) and further planned LIBS and Raman instruments on upcoming missions to Mars. Next to analytical approaches, statistical methods known as multivariate data analysis (MVA) were applied and evaluated. In this thesis, four studies are presented in which LIBS and Raman data analysis strategies are evaluated. In the first study, LIBS data normalization with plasma parameters, namely the plasma temperature and the electron density, was studied. In the second study, LIBS measurements in vacuum conditions were investigated with a focus on the degree of ionization of the LIBS plasma. In the third study, the capability of MVA methods such as principal component analysis (PCA) and partial least squares regression (PLS-R) for the identification and quantification of halogens by means of molecular emissions was tested. The outcomes are promising, as it was possible to distinguish apatites and to quantify chlorine in a particular concentration range. In the fourth and last study, LIBS data was combined with complementary Raman data in a low-level data fusion approach using MVA methods. Also, concepts of high-level data fusion were implemented. Low-level LIBS and Raman data fusion can improve identification capabilities in comparison to the single datasets. However, the improvement is comparatively small regarding the higher amount of information in the low-level fused data and dedicated strategies for the joint analysis of LIBS and Raman data have to be found for particular scientific objectives.

Die Ramanspektroskopie (RS) ist eine analytische Technik, die in Folge einer optischen Anregung eines Stoffes materialspezifische Informationen über dessen molekulare Schwingungen und Kristallstruktur liefert. Da sowohl Minerale als auch biologische Materialien untersucht werden können, ist die RS in der Weltraumforschung von besonderem Interesse. So werden im Jahr 2020 gleich zwei Marsrover (ExoMars und Mars 2020) Ramanspektrometer mitführen, deren Aufgabe unter anderem die Detektion von Spuren von vergangenem oder gegenwärtigem extraterrestrischen Leben sein wird. Die Charakterisierung von stark lumineszierenden biologischen Proben und Mineralen stellt eine der größten Herausforderungen in der konventionellen RS dar. Daher beschäftigt sich diese Dissertation mit dem Problem der Lumineszenz in der RS. Dazu wird das Potenzial von fünf verschiedenen ramanspektroskopischen Techniken zur Handhabung der Lumineszenz evaluiert. Diese Techniken beinhalten (i) die Auswahl von verschiedenen Anregungswellenlängen (325 nm, 532 nm, 785 nm, 1064 nm), welche auf dem Konzept der spektralen Trennung des Lumineszenz- und Ramansignals basiert. (ii) Eine Alternative ist das Photobleichen, wobei die Lumineszenz durch eine lange Belichtungszeit unterdrückt wird. (iii) Eine weitere Methode für die spektrale Separation von Raman- und Lumineszenzphotonen ist die anti-Stokes RS. (iv) Bei der SERDS Technik werden zwei leicht verschobene Anregungswellenlängen verwendet. (v) Abschließend erfolgt die Untersuchung der Streu- und Emissionsstrahlung in der Zeitdomäne. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass es keine universelle Lösung gibt um das Problem der Lumineszenz in der RS zu überwinden. Allerdings weist die Verwendung unterschiedlicher Laserwellenlängen großes Potenzial für die erfolgreiche Handhabung der Lumineszenz in der RS auf. In Kombination mit SERDS und/oder Photobleichen steigt die Wahrscheinlichkeit verwertbare Spektren für die Probencharakterisierung zu erhalten. / Raman spectroscopy (RS) is an analytical technique conveying material-specific information about a material’s molecular vibrations and crystal structure in succession of an optical excitation of the material. Due to the fact that mineralogical as well as biological material can be examined, RS is of special interest for space research. For instance, two Mars rovers (ExoMars and Mars 2020) will each carry along a Raman spectrometer in the year 2020, with the aim of detecting inter alia traces of extant or extinct extraterrestrial life. One of the biggest challenges in conventional RS is the characterization of strongly luminescent biological or mineralogical material; therefore, the dissertation at hand deals with the problem of luminescence in RS. For this purpose, the potential of five different Raman spectroscopic techniques for the handling of luminescence will be evaluated. These techniques include (i) the selection of different excitation wavelengths (325 nm, 532 nm, 785 nm and 1064 nm), which is based on the concept of the spectral separation of the luminescence signals as well as Raman signals. (ii) Photobleaching provides an alternative whereby the luminescence is suppressed by long exposure. (iii) A further method for the spectral separation of Raman photons as well as luminescence photons is provided by the anti-Stokes RS. (iv) The SERDS technique uses two slightly shifted excitation wavelengths. (v) Finally the examination of inelastic scattering and emission takes place in the time domain. The results of this dissertation show that there is no universal solution to overcome the problem of luminescence in RS. However, the usage of different excitation wavelengths offers great potential for handling luminescence in RS successfully. In combination with SERDS and/or photobleaching the probability to obtain exploitable spectra for sample characterization increases