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Spektroskopie im Miniaturformat

Grundlage für Handy-IR-Spektrometer

| Autor/ Redakteur: Felix Würsten* / Christian Lüttmann

Ob für das Handy in der Hosentasche oder den Satellit im All – miniaturisierte Technik ist für viele Bereiche interessant. So könnte ein extrem verkleinertes Infrarotspektrometer, das Forscher der ETH Zürich entwickelt haben, in Zukunft chemische Analysen mit dem Smartphone ermöglichen.

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Mit diesem ca. 2 cm langen Chip lässt sich das Wellenspektrum von Infrarotlicht präzise aufschlüsseln.
Mit diesem ca. 2 cm langen Chip lässt sich das Wellenspektrum von Infrarotlicht präzise aufschlüsseln.
(Bild: ETH Zürich / Pascal A. Halder)

Zürich/Schweiz – Ein Handy kann heute alle möglichen Aufgaben erledigen: Fotos und Videos aufnehmen, Nachrichten versenden, die gegenwärtige Position bestimmen – und natürlich auch Telefongespräche übermitteln. Und vielleicht kann man mit diesen vielseitigen Geräten auch einmal den Alkoholgehalt im Bier oder den Reifegrad von Früchten bestimmen.

Die Idee, Mobiltelefone für chemische Analysen zu nutzen, scheint auf den ersten Blick wagemutig. Denn die heutigen Infrarot-Spektrometer, die für solche Analysen eingesetzt werden, sind in der Regel mehrere Kilogramm schwere Kisten, die sich kaum in ein handliches Gerät integrieren lassen. Forschern der ETH Zürich ist nun aber ein wichtiger Schritt gelungen, diese Vision dennoch Realität werden zu lassen: David Pohl und Marc Reig Escalé aus der Gruppe von Rachel Grange, Professorin für optische Nanomaterialien am Departement Physik, haben zusammen mit weiteren Kollegen einen rund zwei Quadratzentimeter großen Chip entwickelt, mit dem sich Infrarotlicht auf die gleiche Weise analysieren lässt wie mit einem herkömmlichen Spektrometer.

Variabler Brechungsindex ersetzt Spiegel

Bei einem herkömmlichen Infrarotspektrometer wird das einfallende Licht in zwei Pfade aufgeteilt und anschließend an zwei Spiegeln reflektiert. Das zurückgeworfene Licht wird wieder zusammengeführt und mit einem Fotodetektor gemessen. Verschiebt man nun einen der beiden Spiegel, kann man aus dem Interferenzmuster den Anteil der verschiedenen Wellenlängen im Eingangssignal bestimmen. Da chemische Substanzen charakteristische Lücken im Infrarot-Wellenspektrum erzeugen, lässt sich anhand des gemessenen Spektrums nachweisen, welche Substanzen in der untersuchten Probe in welcher Konzentration vorkommen.

Auf diesem Messprinzip basiert auch das an der ETH Zürich entwickelte Mini-Spektrometer. Das einfallende Licht wird allerdings nicht mehr mithilfe von beweglichen Spiegeln analysiert, sondern mit speziellen Lichtleitern, deren optischer Brechungsindex sich von außen über ein elektrisches Feld verändern lässt. „Das Variieren des Brechungsindexes hat einen ähnlichen Effekt wie das Verschieben der Spiegel“, sagt ETH-Forscher Pohl. „Deshalb können wir mit dieser Anordnung das Spektrum des einfallenden Lichtes ebenfalls auflösen.“

Vorteile des Miniaturspektrometers

Je nachdem, wie der Lichtleiter konfiguriert ist, lassen sich dabei unterschiedliche Bereiche des Lichtspektrums untersuchten. „Mit unserem Spektrometer kann man im Prinzip nicht nur Infrarotlicht, sondern auch sichtbares Licht analysieren, wenn man den Lichtleiter entsprechend konfiguriert“, sagt Pohls Kollege Escalé. Im Gegensatz zu anderen integrierten Spektrometern, die nur einen engen Bereich des Lichtspektrums abdecken, hat das von Miniaturspektrometer den großen Vorteil, dass es einen breiten Wellenlängenbereich analysieren kann.

Die Entwicklung der ETH-Physiker hat neben der Kompaktheit noch zwei weitere Vorteile: Das Spektrometer auf dem Chip muss nur einmal kalibriert werden, während herkömmliche Geräte immer wieder geeicht werden müssen; und es benötigt weniger Wartung, da es keine beweglichen Teile mehr gibt.

Herausforderung: Gefangenes Licht befreien

Für das Spektrometer verwendeten die ETH-Forscher Lithiumniobat, das auch in der Telekommunikationsbranche als Modulator zum Einsatz kommt. Dieses Material hat zwar viele positive Eigenschaften, als Lichtleiter hält es das Licht jedoch im Inneren gefangen. Das ist ungünstig, denn eine Messung ist nur möglich, wenn ein Teil des zusammengeführten Lichts nach außen dringen kann. Die Wissenschaftler haben deshalb auf den Lichtleitern feine Metallstrukturen angebracht, die das Licht nach außen streuen. „Es brauchte viel Arbeit im Reinraum, bis wir das Material in der gewünschten Form strukturieren konnten“, sagt Gruppenleiterin Grange.

Ursprünglich für Weltraum gedacht

Bis das heutige Mini-Spektrometer tatsächlich in ein Handy oder ein anders elektronisches Gerät eingebaut werden kann, braucht es allerdings noch einiges an technischer Weiterentwicklung. „Im Moment messen wir das Signal mit einer externen Kamera. Wenn wir ein kompaktes Gerät haben wollen, müssen wir diese also auch noch integrieren“, erklärt Grange.

Ursprünglich hatte die Physikerin nicht chemische Analysen, sondern eine ganz andere Anwendung im Visier: In der Astronomie liefern Infrarotspektrometer wichtige Informationen über ferne Himmelsobjekte. Weil die Erdatmosphäre viel Infrarotlicht absorbiert, werden diese Instrumente idealerweise auf Satelliten im Weltraum stationiert. Dabei ist es natürlich ein großer Vorteil, wenn man ein kompaktes, leichtes und stabiles Messgerät zur Verfügung hat, das sich vergleichsweise kostengünstig ins All befördern lässt.

Originalpublikation: Pohl D et.al.: An integrated broadband spectrometer on thin-film lithium niobate, Nature Photonics, 8. Oktober 2019; DOI: 10.1038/s41566-019-0529-9

* F. Würsten, ETH Zürich, 8092 Zürich/Schweiz

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