QCL-Modul mit integriertem MEMS-Beugungsgitter.

QCL-Modul mit integriertem MEMS-Beugungsgitter.Fraunhofer-Institut IPMS

Um mögliche Risiken durch entweichende Giftstoffe einschätzen und rechtzeitig reagieren zu können, müssen Art und Konzentration potenziell gefährlicher Substanzen möglichst zeitsparend qualitativ und quantitativ bestimmbar sein. Die Spektroskopie, bei der Stoffe beleuchtet und Intensität und spektrale Zusammensetzung des von der Probe beeinflussten Lichts analysiert werden, ist hierfür prädestiniert. Denn die Messung mittels elektromagnetischer Strahlung ist berührungsfrei und, da jedes Molekül sein eigenes einzigartiges Infrarotspektrum („Fingerabdruck“) hat, auf sehr viele verschiedene feste, flüssige oder gasförmige Stoffe anwendbar. Die Herausforderung für die Forscher besteht darin, die Messtechnik auf eine robuste kompakte Bauform zu bringen und zu befähigen, im mittleren Infrarotbereich einen möglichst großen Wellenlängenbereich abzudecken, um so möglichst viele relevante Gase oder auch komplexere Moleküle identifizieren zu können.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, arbeitet das Fraunhofer IPMS im Rahmen des Europäischen Verbundforschungsprojektes „Mirifisens – Mid Infrared Innovative Lasers for Improved Sensor of Hazardous Substances“ mit 17 weiteren Projektpartnern aus neun Ländern gemeinsam an der Entwicklung einer neuartigen, handlichen durchstimmbaren monochromatischen Strahlungsquelle für den mittleren Infrarotbereich. Diese bildet die technologische Grundlage für die Entwicklung handlicher Spektrometer, die in der Lage sind, die Konzentration verschiedener Gefahrstoffe schnell und vor Ort zu ermitteln. Herzstück des Systems ist ein miniaturisierter Quantenkaskadenlaser (QCL), der am IAF in Freiburg entwickelt wird. Dieser deckt einen großen Bereich der für den spektroskopischen Fingerabdruck wichtigen Wellenlängen im mittleren Infrarot ab. Um das Licht des Quantenkaskadenlasers auf definierte Wellenlängen einstellen zu können, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IPMS ein lichtstarkes Beugungsgitter mit 5 mm Durchmesser entwickelt. Das mikromechanisch gefertigte Beugungsgitter agiert dabei als durchstimmbarer externer Resonator des Quantenkaskadenlasers. Es erlaubt das Durchfahren der Laserwellenlänge mit einer Frequenz von 1000 Hz, mit einem Durchstimmbereich von bis zu 20 Prozent der Zentralwellenlänge.

Im Zeitmultiplex kann so die Probe mit unterschiedlichen Wellenlängen bestrahlt und mittels des Fingerabdrucks auf Art und Konzentration der Gefahrstoffe geschlossen werden. Projektleiter Dr. Jan Grahmann erklärt die Vorteile der MEMS-Technologie so: „Elektrostatisch angetriebene MEMS-Gitterspiegel sind wesentlich kompakter als Galvanoscanner, verursachen so gut wie keine Geräusche und erlauben wegen ihres geringen Gewichts sehr hohe Scanfrequenzen. In der Kombination mit miniaturisierten Laserquellen sind sie ideal für die Integration in mobil einsetzbare handliche Sensorsysteme, die einfache Messungen vor Ort oder auch eine Integration in industrielle Messtechnik in Produktions- und Verarbeitungsanlagen erlauben.“