Komplettes Messsystem passt auf einen Mikrochip
Forscher an der TU Wien haben eine Möglichkeit entwickelt, Laser-Frequenzkämme einfacher und robuster als bisher zu erzeugen. Das ermöglicht chemische Analysen auf kleinstem Raum.
Laser können beispielsweise dafür verwendet werden, Moleküle in Gasen zu messen.
Foto: Amudsen / Panthermedia
Ein gewöhnlicher Laser verfügt nur über eine Farbe, deren Photonen ein- und dieselbe Wellenlänge haben. Bei einem Frequenzkamm besteht das Licht hingegen aus vielen verschiedenen Frequenzen mit dem immer gleichen Abstand zueinander – wie die Zinken eines Kammes. Dieses spezielle Laserlicht ist hervorragend dafür geeignet, bestimmte chemische Stoffe aufzuspüren. Trotzdem waren die Einsatzmöglichkeiten bisher beschränkt, weil die empfindlichen Laser außerhalb des Labors zu störungsanfällig waren. Forschern der TU Wien ist es nun gelungen, Frequenzkämme mit einer neuen Technik zu erzeugen. Sie funktioniert auf kleinstem Raum und ist zudem sehr robust. Dadurch wären ganz neue Anwendungsgebiete denkbar.
Quantenkaskadenlaser aus Halbleiterstrukturen
Für die neue Technik nutzten die Forscher sogenannte Quantenkaskadenlaser. Sie bestehen aus Halbleiterstrukturen, die aus vielen verschiedenen Schichten zusammengesetzt sind. Schicken die Wissenschaftler elektrischen Strom durch diese Struktur, sendet sie Laserlicht im Infrarotbereich. Durch die Geometrie der Schichtstruktur lassen sich wiederum die Eigenschaften des Lichts steuern.
Die Forscher können den Quantenkaskadenlaser also gezielt beeinflussen, sodass sie am Ende eine Reihe von Lichtfrequenzen erhalten, die alle miteinander gekoppelt sind. Vergleichbar ist dies mit einem Schaukelgerüst, dessen Schaukeln man nicht einzeln anstößt. Stattdessen wählen die Forscher eine passende Frequenz aus, mit der sie im übertragenen Sinn am Gerüst wackeln und so alle Schaukeln gleichzeitig in bestimmten Mustern zum Schwingen bringen. „Wenn man also misst, welche Infrarot-Frequenzen von einer Gasprobe absorbiert werden, kann man ganz genau sagen, welche Stoffe sie enthält“, sagt Johannes Hillbrand vom Forscherteam der TU Wien.
Diese Illustration zeigt das Prinzip: Das Licht des Laser hat spezielle spektrale Eigenschaften.
Quelle: TU Wien
Robuste Technik für den Einsatz auf Drohnen
Frequenzkämme im Bereich des sichtbaren Lichts sind längst verfügbar. Für den Infrarotbereich bestand jedoch weiterhin Forschungsbedarf. Denn unter anderem galt der dafür benötigte Frequenzkamm als zu empfindlich gegenüber Störungen wie Temperaturschwankungen oder Reflexionen, die Licht zurück an den Laser schicken. Der neue Frequenzkamm der TU Wien ist hingegen sehr robust und kann mit geringem Aufwand erzeugt werden. Das ermöglicht einen Einsatz in schwierigen Umgebungen. „Die benötigten Bauelemente findet man heute im Grunde in jedem Mobiltelefon“, sagt der Leiter des Forschungsprojektes Benedikt Schwarz.
Die Robustheit des Systems bringt noch einen weiteren entscheidenen Vorteil mit sich: Es ist dadurch problemlos möglich, es zu verkleinern – bis es als Mini-Mess-Labor auf einen Mikrochip passt. Das erweitert die Anwendungsbereiche der neuen Lasertechnik. So kann sie beispielsweise auf einer Drohne angebracht werden und von dort Luftschadstoffe messen, oder sie sucht nach Sprengstoffspuren, montiert an die Wand eines Gebäudes. Eingebaut in medizinische Geräte könnte das System Krankheiten anhand chemischer Spuren in der Atemluft erkennen.
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