Infrarot-Laser für vielseitige Analyseanwendungen
Die Weiterentwicklung von Lasersystemen, wie sie beispielsweise in Spektroskopen zum Einsatz kommen, ist ein herausforderndes und teures Vorhaben. Um gerade kleinen und mittleren Unternehmen dennoch innovative Anwendungen zu ermöglichen, entwickelte das Fraunhofer IZM im Projekt „QuantumCascade“ ein modulares Lasersystem für multispektrale Analysen.
Infrarot-Spektroskopie 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 Handheld-Format würden den Einsatz im Feld ermöglichen. Doch ihre Entwicklung und Miniaturisierung ist kostenintensiv und setzt viel Know-how voraus.
Hier setzt das mittlerweile abgeschlossene Projekt „QuantumCascade“ (Laufzeit: 1.6.2022 bis 31.3.2025) an. Ein modulares, leistungsfähiges Lasersystem, integriert auf einer Glasplatine, würde den Entwicklungsaufwand für neuartige Geräte reduzieren, da Hersteller auf eine flexibel einsetzbare, zuverlässige Lichtquelle zurückgreifen könnten. Mit dem Einsatz von Quantenkaskadenlasern (Quantum Cascade Lasers, QCLs) kann dabei der Wellenlängenbereich zwischen 2 und 15 µm, dem mittleren Infrarot-Spektrum (MIR), erschlossen werden. Bis zu drei QCLs können so programmiert werden, dass sie Pulse von nur fünf Nanosekunden aussenden, die für die spektroskopische Analyse organischer Substanzen besonders wichtig sind.
Hoch integriert
Zusätzlich zu den eigentlichen Lasern werden auch Lasertreiber eingebettet, die gemeinsam mit dem Projektpartner Laser Electronics LE GmbH entwickelt wurden. Hinzu kommt eine integrierte optische Strahlformung und -übertragung mit asphärischen Optiken und Fasern, die besonders auf das MIR-Spektrum abgestimmt sind.
Durch das neuartige Aufbaukonzept, bei dem jeder der QCLs in einem temperaturstabilisierbaren Hohlraum im Glas sitzt, können die eng beieinander liegenden Laser unabhängig voneinander in ihrer Temperatur und damit in der Wellenlänge eingestellt und stabilisiert betrieben werden. Die integrierten elektronischen Treiber und Regelkreise sind mit industriellen Lötprozessen auf einer dünnfilm-metallisierten Glasplatine angebracht – die mittels selektiver Laserätzung im µm-Bereich so strukturiert ist, dass auch die optischen Komponenten direkt einbestückt werden können. Der hohe Integrationsgrad ermöglicht es, das gesamte System zu verkapseln. Dadurch kann es auch in rauen Umgebungen eingesetzt oder im Rahmen von Medizinanwendungen desinfiziert werden.
Bei der Entwicklung des Lasersystems konnte das Forschungsteam auf Erfahrungen aus dem Vorgängerprojekt „PhotMan“ zurückgreifen, in dem ein vielseitig einsetzbares, faseroptisches Sensorsystem realisiert wurde. „QuantumCascade“ entwickelt dabei eine am Fraunhofer IZM etablierte Dünnglas-Plattform weiter, mit der optische und elektronische Komponenten integriert und effizient gekoppelt werden können.
(Erschienen im EU-Recycling Magazin 09/2025, Seite 38, Foto: Fraunhofer IZM/Gunnar Böttger)
