Neuartige kompakte Mikrosystemlichtquelle für mobile Analytik-Systeme

Am Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) wurde eine äußerst kompakte und effiziente Mikrosystemlichtquelle entwickelt. Aufgrund ihres geringen Energieverbrauches kann sie in tragbare Messsysteme eingebaut werden und ist ideal für Vor-Ort-Untersuchungen im Bereich der Bioanalytik, der Lebensmittelüberwachung und der Medizintechnik geeignet.

Die Strahlquelle sendet Licht im blauen Spektralbereich bei 488 Nanometern (nm) aus – eine etablierte Wellenlänge für verschiedene spektros­kopische Methoden, wie beispielsweise die Raman-Spektroskopie. Die FBH-Lichtquelle hat eine Grundfläche von nur 25 x 5 Millimetern und ist damit deutlich kleiner als eine Streichholzschachtel.

Daher kann sie in ein Handgerät integriert werden und künftig tischgroße und damit unbewegliche Argon-Ionen-Laser, die bislang als Anregungsquelle für derartige Anwendungen eingesetzt werden, ersetzen. Darüber hinaus ist die Mikrosystemlichtquelle besonders energieeffizient: Mit einer optischen Ausgangsleistung von 50 Milliwatt bei einer elektrischen Gesamtleistung von unter einem Watt verbraucht sie so wenig Energie, dass ein Analytiksystem mit Akkus betrieben werden kann – eine weitere Voraussetzung für den mobilen Einsatz.

Möglich wird die kompakte Größe durch den mikrosystemtechnischen Aufbau. Dabei kommt ein so genannter 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 nur 3 Mikrometer (µm) x 5 µm großen Wellenleiter geführt, der die Effizienz deutlich erhöht. 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.

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.