Ein flexibler Infrarot-Laser für vielseitige Analyseanwendungen

Infrarot-Spektroskopie findet in vielen Bereichen Anwendung, beispielsweise in den Geo-Wissenschaften, der Recycling-Industrie 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 Knowhow voraus.

Hier setzt das Projekt QuantumCascade 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 µm und 15 µm, das mittlere Infrarot-Spektrum (MIR), erschlossen werden. Bis zu drei QCLs können so programmiert werden, dass sie Pulse von nur 5 Nanosekunden aussenden, die für die spektroskopische Analyse organischer Substanzen besonders wichtig sind.

Hoch integriert für verschiedenste Anwendungen
Zusätzlich zu den eigentlichen Lasern werden auch Lasertreiber eingebettet, die gemeinsam mit dem Partner 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.

QuantumCascade war ein gemeinsames Projekt des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM sowie der Laser Electronics LE GmbH. Es lief vom 01.06.2022 bis zum 31.03.2025. 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).

(Text: Steffen Schindler)