Sensorik mit Frequenzkämmen Vorreiter für Spektrometer im Briefmarkenformat

Mit einer neuen Technik die an der TU Wien entwickelt wurde, könnte es bald eine neue Generation von Spektrometern geben – robuster und viel kleiner als bisher möglich war. Dies könnte die chemische Vor-Ort-Analyse erleichtern, zum Beispiel von Luftschadstoffen.

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Technische Universität Wien

Wien/Österreich – 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, wie zwischen den Zähnen eines Kamms, 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 – wie mit einem miniaturisierten Spektrometer. Mit dieser neuen Technologie, die bereits zum Patent angemeldet wurde, kann ein einziger Chip auf sehr einfache und robuste Weise Frequenzkämme erzeugen.

Chemielabor im Millimeter-Format

Frequenzkämme sind schon länger im Einsatz. Im Jahr 2005 gab es für diese Technologie den Physik-Nobelpreis. „Das Spannende dabei ist, dass man mit zwei Frequenzkämmen relativ einfach ein Spektrometer bauen kann.“ sagt Dr. Benedikt Schwarz, der das Forschungsprojekt leitet. „Dabei nutzt 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.“

An der TU Wien werden Frequenzkämme mit einer ganz speziellen Art von Lasern hergestellt – mit so genannten 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.

Aufgeschaukeltes Licht

Doch nicht nur die Schichtstruktur des Halbleitermaterials entscheidet, welches Licht ausgestrahlt wird. „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 erinnert 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 Frequenzkamms“, sagt Forschungsleiter 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.

Optischer Fingerabdruck von Molekülen

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“, erklärt Erstautor Hillbrand. „Wenn man also misst, welche Infrarot-Frequenzen von einer Gasprobe absorbiert werden, kann man ganz genau sagen, welche Stoffe sie enthält.“

Vorteil: miniaturisierbar

„Gerade wegen seiner Robustheit hat unser System gegenüber allen anderen Frequenzkamm-Technologien einen entscheidenden Vorteil – es ist problemlos miniaturisierbar“, sagt Schwarz. „Wir brauchen 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 eröffnen sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten: Man könnte den Chip in eine Drohne einbauen und Luftschadstoffe messen. An der Wand montierte Messchips könnten in gefährdeten Gebäuden nach Sprengstoffspuren suchen. Man könnte die Chips in medizinische Geräte installieren, um Krankheiten an chemischen Spuren in der Atemluft zu erkennen. „Schon jetzt sehen wir, dass andere Forschungsteams an unserem System höchst interessiert sind. Wir hoffen, dass es bald nicht nur in der akademischen Forschung, sondern auch in Alltagsanwendungen eingesetzt wird“, schließt Benedikt Schwarz.

Originalpublikation: J. Hillbrand et al.: Coherent injection locking of quantum cascade laser frequency combs. Nature Photonics (2018); DOI: 10.1038/s41566-018-0320-3

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