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Raman-Spektroskopie Raman-Spektroskopie mit Mikrosystemlichtquellen

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Mithilfe der Raman-Spektroskopie können Materialeigenschaften wie Kristallinität, Orientierung oder Zusammensetzung mit hoher Spezifität untersucht werden. Eine neue Mikrosystemlichtquelle ermöglicht es, diese Vorteile auch in mobilen Analysengeräten zu nutzen.

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Abb. 1: Die am Ferdinand-Braun-Institut gefertigte Laserlichtquelle für Analytikanwendungen (25 mm x 25 mm). (Bild: Ferdinand-Braun-Institut)
Abb. 1: Die am Ferdinand-Braun-Institut gefertigte Laserlichtquelle für Analytikanwendungen (25 mm x 25 mm). (Bild: Ferdinand-Braun-Institut)

In der Materialanalytik müssen oft verschiedene Substanzen in unterschiedlichen Stoffgemischen zuverlässig identifiziert werden. Die Raman-Spektroskopie mit den charakteristischen „Fingerprint-Schwingungs-Spektren“ stellt dafür eine etablierte und sehr zuverlässige Methode dar. Als Anregungsquellen kommen immer häufiger spektral schmalbandige Diodenlaser im sichtbaren Spektralbereich (VIS) zum Einsatz. Typische Anforderungen an diese Lichtquellen sind Leistungen im Bereich mehrerer 10 mW und spektrale Breiten unterhalb von 0,25 nm (bei einer Anregungswellenlänge von 488 nm) im Falle der Untersuchung von festen und flüssigen Analyten.

Die Anregung der Raman-Streuung mit Lichtquellen im VIS bietet aufgrund der Abhängigkeit der Streuintensität von der Anregungswellenlänge den Vorteil einer höheren Signalintensität im Vergleich zu Lichtquellen im nahen infraroten Spektralbereich. Nachteil der VIS-Anregungswellenlängen ist allerdings, dass die trotzdem noch sehr schwachen Raman-Signale durch Störlicht wie beispielsweise Fluoreszenz überdeckt werden können. Mit der Methode der „Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy“ (SERDS) [1] lassen sich jedoch die Raman-Signale vom Störuntergrund separieren. Das Prinzip von SERDS basiert dabei auf der Anregung des Raman-Effektes mit zwei spektral dicht beieinander liegenden Wellenlängen im Abstand der Halbwertsbreite typischer Raman-Linien von Flüssigkeiten und Festkörpern von 0,25 nm. Da sich bei dieser unterschiedlichen Anregung die gemessenen Untergrundspektren nur gering verschieben, kann mittels einer Differenzbildung und einer anschließenden Rekonstruktion der Spektren ein Untergrund-bereinigtes Raman-Spektrum erhalten werden.

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Mikrosystem-Lichtquelle für die Raman-Spektroskopie

Die Mikrosystemtechnik eröffnet hier neue Möglichkeiten Lasermodule zu entwickeln, die die erforderliche geringe Linienbreite besitzen und die Möglichkeit bieten, zwischen zwei Wellenlängen zu schalten. Dabei sind zwei Konzepte denkbar, die ohne bewegliche Teile auskommen. Zum einen können zwei wellenlängenstabilisierte Diodenlaser überlagert und diese alternierend angesteuert werden. Zum anderen kann über Anregungsstrom oder Temperatur die Wellenlänge eines einzigen Diodenlasers über den erforderlichen Spektralbereich durchgestimmt werden.

Lichtquellen, basierend auf der Kombination zweier Diodenlaser mit externen Kavitäten in kompakter Bauform, wurden kürzlich für die Emissionswellenlänge von 671 nm demonstriert [2, 3]. Für die hier vorgestellte Wellenlänge von 488 nm wurde ein anderes Konzept verfolgt: der Aufbau eines 976 nm Distributed-Feedback-Rippenwellenleiter-Lasers (DFB-RW) mit Frequenzverdoppelung (Second Harmonic Generation, SHG) in Mikrosystemtechnik.

Die Lichtquelle wurde am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) realisiert. Dabei wird auf einer Aluminiumnitrid-Grundplatte mit einer Fläche von 5 mm x 25 mm zunächst der DFB-RW-Laser montiert. Über zylindrische Mikrolinsen wird das Licht in einen 12 mm langen Wellenleiterkristall zur nicht-linearen Frequenzkonversion fokussiert. Dieser Kristall besteht aus periodisch gepoltem Lithiumniobat (LiNbO3). Um eine möglichst hohe Effizienz der SHG zu erreichen wurde ein Wellenleiterkristall eingesetzt. Das aus dem Kristall austretende Licht bei 488 nm wird schließlich mittels zylindrischer Mikrolinsen kollimiert. Diodenlaser und Kristall wurden dabei so ausgewählt, dass beide bei der gleichen Wärmesenkentemperatur arbeiten können. Die Emissionswellenlänge des Diodenlasers ist an die Frequenzverdopplungsbedingung (die sog. Phasenanpassung) im Kristall angepasst. Darüber hinaus ändert sich die Emissionswellenlänge des Diodenlasers und die Phasenanpassungsbedingung des Kristalls nahezu identisch bei Variation der Wärmesenkentemperatur. Die gesamte Mikrobank ist in einem Gehäuse (s. Abb. 1) mit einer Basisfläche von 25 mm x 25 mm untergebracht und damit deutlich kleiner als eine Streichholzschachtel. Daher kann die Lichtquelle bequem in ein Handgerät integriert werden und ermöglicht somit wesentlich kompaktere analytische Messsysteme als bisher.

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