Geschrumpfte Spektrometer

Ein Handy kann heute alle möglichen Aufgaben erledigen: Fotos und Videos aufnehmen, Nachrichten versenden, die gegen­wärtige Position bestimmen – und natürlich auch Telefon­gespräche übermitteln. Und vielleicht kann man mit diesen viel­seitigen Geräten auch einmal den Alkoholgehalt im Bier oder den Reifegrad von Früchten bestimmen. Die Idee, Mobiltelefone für chemische Analysen zu nutzen, scheint auf den ersten Blick wagemutig. Denn die heutigen Infrarot­spektrometer, die für solche Analysen eingesetzt werden, sind in der Regel mehrere Kilogramm schwere Kisten, die sich kaum in ein handliches Gerät integrieren lassen. Forscher der ETH Zürich ist nun aber ein wichtiger Schritt gelungen, diese Vision dennoch Realität werden zu lassen: David Pohl und Marc Reig Escalé aus der Gruppe von Rachel Grange, Professorin für optische Nano­materialien am Departement Physik, haben zusammen mit weiteren Kollegen einen rund zwei Quadrat­zentimeter großen Chip entwickelt, mit dem sich Infrarot­licht auf die gleiche Weise analysieren lässt wie mit einem herkömm­lichen Spektro­meter.

Bei einem herkömm­lichen Infrarot­spektrometer wird das einfallende Licht in zwei Pfade aufgeteilt und anschließend an zwei Spiegeln reflektiert. Das zurück­geworfene Licht wird wieder zusammengeführt und mit einem Fotodetektor gemessen. Verschiebt man nun einen der beiden Spiegel, kann man aus dem Interferenz­muster den Anteil der verschiedenen Wellenlängen im Eingangs­signal bestimmen. Da chemische Substanzen charakteristische Lücken im Infrarot-Wellen­spektrum erzeugen, lässt sich anhand des gemessenen Spektrums nachweisen, welche Substanzen in der untersuchten Probe in welcher Konzen­tration vorkommen. Auf diesem Messprinzip basiert auch das nun entwickelte Mini-Spektro­meter. Das einfallende Licht wird allerdings nicht mehr mit Hilfe von beweglichen Spiegeln analysiert, sondern mit speziellen Lichtleitern, deren optischer Brechungs­index sich von aussen über ein elektrisches Feld verändern lässt. „Das Variieren des Brechungs­indexes hat einen ähnlichen Effekt wie das Verschieben der Spiegel“, sagt David Pohl. „Deshalb können wir mit dieser Anordnung das Spektrum des einfallenden Lichtes ebenfalls auflösen.“

Je nach dem, wie der Lichtleiter konfi­guriert ist, lassen sich dabei unter­schiedliche Bereiche des Lichtspektrums untersuchten. „Mit unserem Spektrometer kann man im Prinzip nicht nur Infrarot­licht, sondern auch sichtbares Licht analysieren, wenn man den Lichtleiter entsprechend konfiguriert“, erläutert Marc Reig Escalé. Im Gegensatz zu anderen inte­grierten Spektro­metern, die nur einen engen Bereich des Lichtspektrums abdecken können, hat das von Granges Gruppe entwickelte Spektrometer den grossen Vorteil, dass es einen breiten Wellen­längen­bereich analysieren kann. Die Entwicklung der Physiker hat neben der Kompaktheit noch zwei weitere Vorteile: Das Spektro­meter auf dem Chip muss nur einmal kalibriert werden, während herkömm­liche Geräte immer wieder geeicht werden müssen; und es benötigt weniger Unterhalt, da es keine beweglichen Teile mehr gibt.

Für das Spektro­meter verwendeten die Forscher ein Material, das auch in der Telekommunikations­branche als Modulator zum Einsatz kommt. Das von ihrer Gruppe verwendete Material hat zwar viele positive Eigen­schaften. Als Lichtleiter hält es das Licht jedoch im Inneren gefangen. Das ist ungünstig, denn eine Messung ist nur möglich, wenn ein Teil des zusammen­geführten Lichts nach aussen dringen kann. Die Wissen­schaftler haben deshalb auf den Lichtleitern feine Metall­strukturen angebracht, die das Licht nach außen streuen. „Es brauchte viel Arbeit im Reinraum, bis wir das Material in der gewünschten Form strukturieren konnten“, sagt Grange.

Bis das heutige Mini-Spektro­meter tatsächlich in ein Handy oder ein anders elektronisches Gerät eingebaut werden kann, braucht es allerdings noch einiges an technischer Weiter­entwicklung. „Im Moment messen wir das Signal mit einer externen Kamera“, erklärt Grange. „Wenn wir ein kompaktes Gerät haben wollen, müssen wir diese also auch noch inte­grieren.“ Ursprüng­lich hatte die Physikerin nicht chemische Analysen, sondern eine ganz andere Anwendung im Visier: In der Astronomie liefern Infrarot­spektrometer wichtige Informationen über ferne Himmelsobjekte. Weil die Erd­atmosphäre viel Infrarot­licht absorbiert, werden diese Instrumente idealer­weise auf Satelliten im Weltraum stationiert. Dabei ist es natürlich ein großer Vorteil, wenn man ein kompaktes, leichtes und stabiles Messgerät zur Verfügung hat, das sich vergleichs­weise kosten­günstig ins All befördern lässt.

ETHZ / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Pohl et al.: An integrated broadband spectrometer on thin-film lithium niobate, Nat. Phot., online 7 October 2019; DOI: 10.1038/s41566-019-0529-9
• Optical Nanomaterial Group, Institut für Quantenelektronik, Dept. Physik, ETH Zürich