Forschung & Entwicklung

Lasertechnik für chemische Sensoren in Mikrochipgröße

Eine revolutionäre Technik erzeugt Frequenzkämme, die für chemische Sensoren geeignet sind, deutlich einfacher und robuster als bisher.

Ein gewöhnlicher Laser hat genau eine Farbe. Alle Photonen, die er abstrahlt, haben genau dieselbe Wellenlänge. Es gibt allerdings auch Laser, deren Licht komplizierter aufgebaut ist. Wenn es aus vielen verschiedenen Frequenzen besteht, zwischen denen der Abstand immer gleich ist, dann spricht man von einem Frequenzkamm. Frequenzkämme eignen sich perfekt dafür, verschiedenste chemische Stoffe aufzuspüren.

An der TU Wien wird diese spezielle Art von Laserlicht nun verwendet um chemische Analysen auf kleinstem Raum zu ermöglichen. Mit dieser neuen Technologie, die bereits zum Patent angemeldet wurde, können Frequenzkämme auf einem einzigen Chip erzeugt werden. Das Spannende dabei sei, dass man mit zwei Frequenzkämmen relativ einfach ein Spektrometer bauen könne, erklärt Benedikt Schwarz. „Dabei nützt man Schwebungen zwischen verschiedenen Frequenzen aus, ähnlich wie sie in der Akustik auftreten, wenn man zwei verschiedene Töne mit ähnlicher Frequenz hört. Wir verwenden diese neue Methode, weil sie ohne bewegliche Teile auskommt und entwickeln damit ein Chemielabor im Millimeterformat.“

Die Frequenzkämme werden mit einer ganz speziellen Art von Lasern hergestellt – mit sogenannten Quantenkaskadenlasern. Dabei handelt es sich um Halbleiterstrukturen, die aus vielen verschiedenen Schichten bestehen. Wenn man elektrischen Strom durch die Struktur schickt, sendet sie Laserlicht im Infrarotbereich aus. Die Eigenschaften des Lichts kann man steuern, indem man die Geometrie der Schichtstruktur passend wählt. Dass der Quantenkaskadenlaser einen Frequenzkamm im Infrarotbereich erzeugt, ist deshalb wichtig, weil viele Moleküle genau in diesem Bereich am besten detektiert werden können. Verschiedene Luftschadstoffe, aber auch Biomoleküle, die für die medizinische Diagnostik eine wichtige Rolle spielen, absorbieren ganz bestimmte Lichtfrequenzen im Infrarotbereich.

„Mithilfe eines elektrischen Signals mit einer ganz bestimmten Frequenz können wir unsere Quantenkaskadenlaser gezielt beeinflussen und bekommen eine Reihe von Lichtfrequenzen, die alle miteinander gekoppelt sind“, sagt Johannes Hillbrand. Der große Vorteil der Technik ist die Robustheit des Frequenzkamms. Ohne diese Technik sind die Laser extrem empfindlich gegen Störungen, wie sie außerhalb des Labors unvermeidlich sind – etwa Temperaturschwankungen, oder Reflexionen, die einen Teil des Lichts wieder in den Laser zurücksenden.

 „Gerade wegen seiner Robustheit hat unser System gegenüber allen anderen Frequenzkamm-Technologien einen entscheidenden Vorteil – es ist problemlos miniaturisierbar“, sagt Benedikt Schwarz. Es braucht keine Linsensysteme, keine beweglichen Teile und keine optischen Isolatoren, die nötigen Strukturen sind winzig. Man kann das gesamte Messsystem auf einem Chip im Millimeterformat unterbringen. Dadurch ergeben sich interessante Anwendungsideen: Man könnte den Chip auf einer Drohne unterbringen und Luftschadstoffe messen. An der Wand montierte Messchips könnten in gefährdeten Gebäuden nach Sprengstoffspuren suchen. Man könnte die Chips in medizinische Geräte einbauen, um Krankheiten an chemischen Spuren in der Atemluft zu erkennen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[J. Hillbrand, A. Maxwell Andrews, H. Detz, G. Strasser, B. Schwarz, Coherent injection locking of quantum cascade laser frequency combs, Nat. Photonics (2018), DOI: 10.1038/s41566-018-0320-3]

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