Flexibel aufspüren Neuer Infrarotlaser unterstützt vielfältige Analyseaufgaben

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

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Um speziell kleinen und mittleren Unternehmen zu unterstützen, entwickelte das Fraunhofer-IZM im Projekt „QuantumCascade“ ein modulares Lasersystem für multispektrale Analysen.

Die Infrarotspektroskopie findet in vielen Bereichen Anwendung – beispielsweise in den Geo-Wissenschaften, der Recyclingindustrie oder der Medizintechnik. Dabei hat die Genauigkeit und Komplexität von spektroskopischen Analyseverfahren in den letzten 20 Jahren deutlich zugenommen. Aktuelle Geräte, die Licht mit verschiedenen Wellenlängen zur Durchführung von multispektralen Tests nutzen, sind klobig und stationär. Entsprechende Spektroskope im tragbaren Handheld-Format würden den Einsatz aber erleichtern. Doch die Entwicklung und Miniaturisierung derselben ist teuer und setzt viel Know-how voraus, wie Forscher vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) erklären. Das habe nun ein Ende, denn genau an diesem Punkt setzt das Projekt „QuantumCascade“ an.

Der Aufbau für einen kompakten Infrarot-Analyselaser

Ein modulares, leistungsfähiges Lasersystem, integriert auf einer Glasplatine, würde den Entwicklungsaufwand für neuartige Geräte nämlich reduzieren, weil Hersteller auf eine flexibel einsetzbare, zuverlässige Lichtquelle zurückgreifen könnten. Mit dem Einsatz von Quantenkaskadenlasern (Quantum Cascade Laser = QCL) kann aber dabei der Wellenlängenbereich zwischen zwei und 15 Mikrometern – also das sogenannte mittlere Infrarotspektrum (MIR) – abgedeckt werden. Bis zu drei QCL können nach Aussage der Forscher dafür so programmiert werden, dass sie Pulse von nur fünf Nanosekunden aussenden, die für die spektroskopische Analyse organischer Substanzen besonders wichtig sind. Zusätzlich zu den eigentlichen Lasern werden auch Lasertreiber implementiert. Diese wurden mit dem Partner Laser Electronics LE entwickelt. Hinzu kommt eine integrierte optische Strahlformung und -übertragung, die mit asphärischen Optiken und Fasern arbeitet. Sie seien besonders auf das MIR-Spektrum abgestimmt.

Weitere Features machen das Lasersystem robust

Durch das neuartige Aufbaukonzept, bei dem jeder der QCL in einem temperaturstabilisierbaren Hohlraum im Glas sitze, könnten die eng beieinander liegenden Laser schließlich unabhängig voneinander in ihrer Temperatur und in puncto Wellenlänge eingestellt und stabilisiert betrieben werden. Die integrierten elektronischen Treiber und Regelkreise sind mittels industrieller Lötprozesse auf einer mit Dünnfilm metallisierten Glasplatine angebracht. Diese ist mittels selektiver Laserätzung im Mikrometerbereich so strukturiert, dass auch die optischen Komponenten direkt appliziert werden können, wie man betont. Der hohe Integrationsgrad ermögliche es dabei, das gesamte System zu verkapseln. Dadurch könne es auch in rauen Umgebungen eingesetzt oder im Rahmen von Medizinanwendungen desinfiziert werden.

Näheres zur Förderung des Projektes

„QuantumCascade“ war ein gemeinsames Projekt des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM sowie der Laser Electronics LE GmbH. Es lief vom 01. Juni 2022 bis zum 31. März 2025. Die Investitionsbank Berlin IBB förderte das Projekt am Fraunhofer-IZM im Rahmen einer Pro FIT – Projektfinanzierung unter der Projektnummer 10184209 mit 390.990 Euro, unter anderem aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).

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