Chemische Sensoren in Mikrochip-Größe
Quantenkaskadenlaser erzeugen robuste Frequenzkämme.
Ein gewöhnlicher Laser hat genau eine Farbe. Es gibt allerdings auch Laser, deren Licht komplizierter aufgebaut ist: Frequenzkämme, bei denen das Licht aus vielen verschiedenen Frequenzen besteht, zwischen denen der Abstand immer gleich ist. Frequenzkämme eignen sich perfekt als chemische Sensoren. An der TU Wien wird diese spezielle Art von Laserlicht verwendet, um chemische Analysen auf kleinstem Raum zu ermöglichen. Mit dieser neuen Technologie, die bereits zum Patent angemeldet wurde, können Frequenzkämme auf einem einzigen Chip auf sehr einfache und robuste Weise erzeugt werden.
„Das Spannende ist, dass man mit zwei Frequenzkämmen relativ einfach ein Spektrometer bauen kann“, erklärt Benedikt Schwarz von der TU Wien. „Dabei nützt man Schwebungen zwischen verschiedenen Frequenzen aus. 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, den 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.
„Mit Hilfe 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 von der TU Wien. „Der große Vorteil unserer Technik ist die Robustheit des Frequenzkamms“, ergänzt 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.
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 Hillbrand. „Wenn man also misst, welche Infrarot-Frequenzen von einer Gasprobe absorbiert werden, kann man ganz genau sagen, welche Stoffe sie enthält.“
„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 ergeben sich spektakuläre Anwendungsideen: Man könnte den Chip auf einer Drohne unterbringen und Luftschadstoffe messen. An der Wand montierte Messchips könnten in gefährdeten Gebäuden nach Sprengstoffspuren suchen. Man könnte die Chips in medizinische Geräte einbauen, um Krankheiten an chemischen Spuren in der Atemluft zu erkennen. „Schon jetzt sehen wir, dass andere Forschungsteams an unserem System höchst interessiert sind“, so Schwarz. „Wir hoffen, dass es bald nicht nur in der akademischen Forschung, sondern auch in Alltagsanwendungen eingesetzt wird.“
TU Wien / RK
