Forschungsverbund Berlin

Mikrosystemlichtquelle für mobile Analytik-Systeme

19.03.2009 | Redakteur: Hendrik Härter

Lichtquelle auf Messhalter,

Am Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) wurde eine kompakte Mikrosystemlichtquelle entwickelt. Sie zeichnet sich durch einen geringen Energieverbrauch aus und kann in tragbare Messsysteme eingebaut werden.

Die Strahlquelle sendet Licht im blauen Spektralbereich bei 488 nm aus. Das ist eine etablierte Wellenlänge für verschiedene spektroskopische Methoden, wie beispielsweise die Raman-Spektroskopie. Die FBH-Lichtquelle hat eine Grundfläche von 25 mm × 5 mm.

Sie lässt sich dank der Abmessungen in ein Handgerät integrieren und künftig tischgroße und damit unbewegliche Argon-Ionen-Laser, die bislang als Anregungsquelle für derartige Anwendungen eingesetzt werden, ersetzen.

Außerdem ist die Mikrosystemlichtquelle energieeffizient: Mit einer optischen Ausgangsleistung von 50 mW bei einer elektrischen Gesamtleistung von < 1 W verbraucht sie so wenig Energie, dass ein Analytiksystem mit Akkus betrieben werden kann.

Möglich wird die kompakte Größe durch den mikrosystemtechnischen Aufbau. Dabei kommt ein sogenannter DFB-RW-Laser zum Einsatz. Dieser Diodenlaser emittiert Licht bei 976 nm, das über Mikrooptiken in einen Kristall zur Frequenzverdopplung geleitet wird, bei der das infrarote Licht in blaues Licht umgewandelt wird. Im Kristall wird der Strahl durch einen 3 µm × 5 µm großen Wellenleiter geführt, der die Effizienz deutlich erhöht.

Auf Wärmemanagement kann verzichtet werden

Schematischer Aufbau der Mikrosystemlichtquelle, (Zeichnung: FBH/Maiwald)
Schematischer Aufbau der Mikrosystemlichtquelle, (Zeichnung: FBH/Maiwald)

Aufgrund der äußerst geringen Abmessungen besteht die Herausforderung in der hochpräzisen Montagetechnik und Justierung der einzelnen Komponenten. Wie exakt gearbeitet werden muss, zeigt der Vergleich mit einem menschlichen Haar, das einen Durchmesser von etwa 50 µm hat und damit mehr als 10-mal größer ist als der Eingang des Wellenleiters, in den der Strahl fokussiert wird. Die Mikrosystemquelle benötigt zudem kein kompliziertes Wärmemanagement. Laser und Kristall werden so gewählt, dass sich beide Komponenten bei Temperaturänderungen nahezu gleich verhalten. Auf sonst übliche zusätzliche Elemente, wie beispielsweise Temperatursensoren, die den Aufbau komplizierter und fehleranfälliger machen, kann daher verzichtet werden.

Praxistests erfolgreich bestanden

Erste Praxistests hat die FBH-Mikrosystemquelle bereits erfolgreich gemeistert. Messungen, die gemeinsam mit dem Institut für Optik und atomare Physik der TU Berlin durchgeführt wurden, haben die gute Eignung für die in-situ Raman-Spektroskopie, die an Ort und Stelle durchgeführt wird, bestätigt. Die Ergebnisse belegen darüber hinaus neue Perspektiven für die empfindliche Spurenanalytik, da die Lichtquelle das Potenzial hat, geringste Konzentrationen bestimmter Stoffe nachzuweisen.

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