Een nieuwe lasertechnologie voor chemische sensoren in microchips

Een onderzoeksgroep aan de TU Wenen gebruikt een speciale lasertechnologie om chemische sensoren in de microchip mogelijk te maken. De toepassingsgebieden zijn legio: gemonteerd op een drone kan de chip luchtverontreinigende stoffen meten. Op een muur gemonteerd, kan hij op zoek gaan naar sporen van explosieven in kwetsbare gebouwen. Geïntegreerd in medische apparatuur, kan dit ziekten detecteren door chemische sporen in de ademlucht.

De technologie is gebaseerd op een eenvoudige en robuuste manier om ‘frequentiekammen’ te genereren. Frequentieruimtes kunnen worden gebruikt om een grote verscheidenheid aan chemische stoffen te identificeren.

Het licht van een gewone laser is monochroom. Alle fotonen die hierdoor uitgezonden worden hebben dezelfde golflengte. Lasers waarvan het licht een meer gecompliceerde structuur heeft bestaan uit veel verschillende frequenties waarvan de afstand tot elkaar hetzelfde is. De regelmatige afstanden doen denken aan een kam en hebben het fenomeen de naam frequentiekam gegeven.

Klein chemisch laboratorium

Het spannendste element in de nieuwe lasertechnologie is de spectrometer, die relatief eenvoudig met twee frequentiekammen kan worden gebouwd, zegt Benedikt Schwarz, die het onderzoeksproject leidt. “Het maakt gebruik van slagen tussen verschillende frequenties, vergelijkbaar met wat er in de akoestiek gebeurt als je twee verschillende tonen met vergelijkbare frequenties hoort”. Deze methode vereist geen bewegende delen en is daarom geschikt voor een klein chemisch laboratorium.

De innovatie is gebaseerd op ‘quantum cascade lasers‘. Dit zijn frequentiekammen bestaande uit meerlaagse halfgeleiderstructuren. Als er elektrische stroom door de structuur wordt gestuurd, wordt dit laserlicht in het infraroodbereik uitgezonden. Dit is belangrijk omdat veel belangrijke moleculen juist in het infraroodbereik het best kunnen worden geïdentificeerd. Voorbeelden zijn luchtverontreinigende stoffen of biomoleculen die een rol spelen in de medische diagnostiek. De meting van de infraroodfrequenties die door een gasmonster worden geabsorbeerd, maakt een nauwkeurige analyse van de daarin aanwezige stoffen mogelijk.

Als de quantum cascade lasers worden beïnvloed door een elektrisch signaal van een zeer specifieke frequentie, wordt een reeks lichtfrequenties verkregen die aan elkaar worden gekoppeld. Onderzoeksteamlid Johannes Hillbrand vergelijkt het effect met een schommelsteiger: Als je de steiger op de juiste frequentie verplaatst, beginnen alle schommels in een bepaald gekoppeld patroon te slingeren.

Robuuste frequentiekam

Schwarz ziet een doorslaggevend voordeel van de lasertechnologie in de robuustheid van de frequentiekam. De technologie voorkomt de gevoelige reactie van de laser op storingen zoals temperatuurschommelingen of reflecties, die buiten een laboratorium onvermijdelijk zijn. Schwarz ziet nog een ander voordeel in de eenvoud van de technologie, waarvan de componenten in elke mobiele telefoon te vinden zijn. Ze zijn ook geschikt voor praktische toepassingen, zelfs in moeilijke omgevingen.

Last but not least, de nieuwe lasertechnologie vereist geen bewegende delen en kan in de kleinste ruimtes worden toegepast. Schwarz: “We hebben geen lenssystemen, bewegende delen of optische isolatoren nodig, de benodigde structuren zijn klein. Het hele meetsysteem kan op een millimetergrote chip worden ondergebracht.”