WIEN, 13, Dezember 2018 – Eine Forschergruppe an der TU Wien verwendet eine spezielle Lasertechnik, um chemische Sensoren im Mikrochip zu ermöglichen. Die Technologie basiert auf einer einfachen und robusten Art Frequenzkämme zu erzeugen. Mit Frequenzkämmen lassen sich verschiedenste chemische Stoffe eruieren.
Das Licht eines gewöhnlichen Lasers ist einfarbig. Alle Photonen, welche dieser abstrahlt, haben dieselbe Wellenlänge. Laser, deren Licht komplizierter aufgebaut ist, bestehen aus vielen verschiedenen Frequenzen, deren Abstand zueinander gleich ist. Die regelmäßigen Abstände erinnern an einen Kamm und haben dem Phänomen den Namen Frequenzkamm eingebracht.
Winziges Chemielabor
Spannend an der neuen Lasertechnik der Forscher von der TU Wien ist das Spektrometer, das relativ einfach mit zwei Frequenzkämmen gebaut werden kann, erklärt Benedikt Schwarz, der das Forschungsprojekt leitet. Zitat: „Dabei nützt man Schwebungen zwischen verschiedenen Frequenzen aus, ähnlich wie sie in der Akustik auftreten, wenn man zwei verschiedene Töne mit ähnlicher Frequenz hört.“ Diese Methode bedarf keiner beweglichen Teile und eignet sich dadurch für ein winziges Chemielabor.
Die Innovation basiert auf Quantenkaskaden-Lasern. Das sind Frequenzkämme, die aus mehrschichtigen Halbleiterstrukturen aufgebaut sind. Schickt man elektrischen Strom durch die Struktur, sendet diese Laserlicht im Infrarotbereich aus. Dies ist insofern von Bedeutung, als viele wichtige Moleküle am besten im Infrarotbereich identifiziert werden können. Beispiele dafür sind Luftschadstoffe oder Biomoleküle, die in der medizinischen Diagnostik eine Rolle spielen. Die Messung der Infrarot-Frequenzen, die von einer Gasprobe absorbiert werden, ermöglicht eine genaue Analyse der darin enthaltenen Stoffe.
Werden die Quantenkaskadenlaser mit einem elektrischen Signal einer ganz bestimmten Frequenz beeinflusst, erhält man eine Reihe von Lichtfrequenzen, die miteinander gekoppelt sind. Forschungsteam-Mitglied Johannes Hillbrand vergleicht den Effekt mit einem Schaukelgerüst: Bewegt man das Gerüst in der richtigen Frequenz, so beginnen alle Schaukeln in einem bestimmten gekoppelten Muster zu schwingen.
Robuster Frequenzkamm
Schwarz sieht einen entscheidenden Vorteil der Lasertechnik in der Robustheit des Frequenzkamms. Die Technik verhindert die empfindliche Reaktion des Lasers auf Störungen wie Temperaturschwankungen oder Reflexionen, welche außerhalb des Labors unvermeidlich sind. Einen weiteren Vorteil sieht Schwarz in der Einfachheit der Technik, deren Bauelemente in jedem Mobiltelefon zu finden sind. Zudem eigne sich diese für praktische Anwendungen selbst in schwierigen Umgebungen.
Last but not least kommt die neue Lasertechnik ohne bewegliche Teile aus und ist auf kleinstem Raum umsetzbar. 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 in Millimetergröße unterbringen.“
Die Anwendungsgebiete sind vielfältig: Auf einer Drohne montiert, könnte der Chip Luftschadstoffe messen. An einer Wand montiert, könnte dieser in gefährdeten Gebäuden nach Sprengstoffspuren suchen. In medizinische Geräte integriert, könnte dieser Krankheiten an chemischen Spuren in der Atemluft erkennen.
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