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Der Laser, der zugleich ein Detektor ist: An der TU Wien wurde ein mikroskopisch kleiner Sensor
entwickelt, mit dem man gleichzeitig verschiedene Gase nachweisen kann.
Wien (tu) - Wir Menschen erschnüffeln unterschiedliche Gerüche und Düfte durch chemische
Rezeptoren in unserer Nase. Doch für den technischen Nachweis von Gasen greift man gerne auf ganz andere Verfahren
zurück, wie beispielsweise Infrarotlaser. Dabei wird ein Laserstrahl durch das Gas geschickt und am anderen
Ende misst ein separater Detektor wie stark das Licht vom Gas abgeschwächt wurde. Ein winziger, neu entwickelter
Sensor der TU Wien vereint nun beide Seiten in einem einzigen Bauteil: Dieselbe Mikrostruktur kann für das
Aussenden und das Detektieren der Infrarotstrahlung verwendet werden.
Ringförmige Quantenkaskadenlaser
„Die Laser, die wir herstellen, haben mit gewöhnlichen Laser-Pointern nicht viel zu tun“, erklärt Rolf
Szedlak vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. „Wir bauen sogenannte Quantenkaskadenlaser.
Sie bestehen aus einem ausgeklügelten Schichtsystem unterschiedlicher Materialien und emittieren Licht im
Infrarotbereich.“
Wird an dieses Schichtsystem eine elektrische Spannung angelegt, wandern Elektronen durch den Laser. Durch eine
passende Auswahl von Materialien und Schichtdicken verlieren die Elektronen immer ein bisschen Energie, wenn sie
von einer Schicht in die nächste wechseln. Diese Energie wird in Form von Licht abgegeben – es entsteht ein
Infrarot-Laserstrahl.
„Unsere Quantenkaskadenlaser sind ringförmig, mit einem Durchmesser von weniger als einem halben Millimeter“,
sagt Prof. Gottfried Strasser, Leiter des Zentrums für Mikro- und Nanostrukturen an der TU Wien. „Seine geometrischen
Eigenschaften tragen dazu bei, dass der Laser nur Licht einer ganz bestimmten, wohldefinieren Wellenlänge
abstrahlt.“
„Für die chemische Analyse von Gasen ist das optimal, denn viele Gase absorbieren nur ganz bestimmte Anteile
des Infrarotlichts“, sagt Prof. Bernhard Lendl vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU
Wien. Durch seinen individuellen Infrarot-„Fingerabdruck“ kann man ein Gas daher zuverlässig detektieren.
Es wird lediglich ein Laser mit passender Wellenlänge benötigt sowie ein Detektor, der misst, wie viel
Infrarotstrahlung vom Gas verschluckt wurde.
Der Laser, der auch detektiert
„Unsere Mikrostruktur besitzt den großen Vorteil, Laser und Detektor in einem zu sein“, erläutert Rolf
Szedlak. Zwei konzentrische Quantenkaskaden-Ringe wurden dafür ineinander gepackt. Beide können (je nach
Betriebsmodus) sowohl Licht aussenden als auch Licht detektieren – und zwar bei zwei leicht unterschiedlichen Wellenlängen.
Ein Ring sendet Laserlicht aus, das durch das Gas geleitet und anschließend von einem Spiegel wieder zurückgeschickt
wird. Der zweite Ring nimmt dieses reflektierte Licht auf und misst seine Stärke. Gleich darauf tauschen die
beiden Ringe ihre Rollen und die nächste Messung kann durchgeführt werden.
Um diesen neuartigen Sensor zu testen, stellte sich das Forschungsteam der TU Wien eine besonders schwierige Aufgabe:
Es galt, Isobuten und Isobotan zu unterscheiden – zwei Moleküle, die nicht nur zum Verwechseln ähnliche
Namen, sondern auch sehr ähnliche chemische Eigenschaften aufweisen. Doch auch diese Probe bestanden die Mikro-Sensoren
exzellent und die beiden Gase konnten zuverlässig identifiziert werden.
„Wenn Laser und Detektor vereint werden, hat das viele Vorteile“, erklärt Gottfried Strasser. „Auf diese Weise
können extrem kompakte Sensoren gebaut werden. Denkbar ist sogar ein ganzes Array – sprich eine Anordnung
vieler solcher Mikro-Sensoren – auf einem einzigen Chip unterzubringen und mit mehreren unterschiedlichen Wellenlängen
gleichzeitig zu arbeiten.“ Anwendungsmöglichkeiten gibt es viele – etwa in der Umweltanalytik oder Medizin.
Originalpublikation: Rolf Szedlak et
al., ACS Photonics, 2016, 3 (10). DOI: 10.1021/acsphotonics.6b00603 http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.6b00603
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