Revolutionäre Lasertechnik für Chemie-Sensor
Frequenzkämme lassen sich auf einem einzigen Chip auf sehr einfache und robuste Weise erzeugen
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Laser mit ganz speziellen spektralen Eigenschaften (Grafik: tuwien.ac.at) |
Wien (pte021/11.12.2018/13:30) Wissenschaftler der Technischen Universität Wien (TU Wien) http://tuwien.ac.at haben eigenen Angaben nach eine "revolutionäre Technik" entwickelt, um ganz spezielles Laserlicht zu erzeugen, das aus verschiedenen Frequenzen besteht und sich bestens für chemische Sensoren eignet. Details wurden im Fachjournal "Nature Photonics" präsentiert.
Chemielabor im Millimeter-Format
Mit der neuen Technologie, die bereits zum Patent angemeldet wurde, lassen sich sogenannte Frequenzkämme auf einem einzigen Chip auf sehr einfache und robuste Weise erzeugen. Schon mit zwei Frequenzkämmen ist es relativ einfach möglich, ein Spektrometer zu bauen. "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 Millimeter-Format", so Forschungsleiter Benedikt Schwarz.
An der TU Wien werden Frequenzkämme 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.
Robustheit des Frequenzkammes
"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, Erstautor der Publikation. Das Phänomen erinnere an Schaukeln auf einem Schaukelgerüst - wenn man nicht die einzelnen Schaukeln anstößt, sondern in der richtigen Frequenz am Gerüst wackelt, kann man alle Schaukeln dazu bringen, in bestimmten gekoppelten Mustern zu schwingen.
"Der große Vorteil unserer Technik ist die Robustheit des Frequenzkammes", unterstreicht Schwarz. 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. "Unsere Technik kann mit sehr geringem Aufwand realisiert werden und eignet sich daher hervorragend für praktische Anwendungen selbst in schwierigen Umgebungen. Die benötigten Bauelemente findet man heute im Grunde in jedem Mobiltelefon", betont Schwarz.
Dass der Quantenkaskadenlaser einen Frequenzkamm im Infrarotbereich erzeugt, ist deshalb wichtig, weil viele wichtige 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. Man bezeichnet das oft auch als optischen Fingerabdruck des Moleküls", verdeutlicht Hillbrand. "Wenn man also misst, welche Infrarot-Frequenzen von einer Gasprobe absorbiert werden, kann man ganz genau sagen, welche Stoffe sie enthält."
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