Die Quanten-Schnüffelnase

Der Laser, der zugleich ein Detektor ist

21.10.2016 - Österreich

An der TU Wien wurde ein mikroskopisch kleiner Sensor entwickelt, mit dem man gleichzeitig verschiedene Gase nachweisen kann.

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.

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„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.