Neue Halbleiter-Laser messen Gase

Der Quantenkaskaden-Laser oben links wird elektrisch gekühlt und sendet Strahlung im mittleren Infrarot aus. Über eine Optik, Gas-Messzelle und Spiegel erreicht sie den Detektor (rechts).

Menschen können Ammoniakgas nicht sehen, nur riechen. Doch das nur widerwillig, denn der Geruch von Salmiak ist beißend wie in Hühnerställen. Laser, die infrarote Strahlung aussenden, können hingegen diese Grundchemikalie der chemischen Industrie für Messgeräte sichtbar machen. Daher werden sie eingesetzt, um in verschiedensten Prozessen die Konzentration von Ammoniak und anderen Gasen online zu überwachen. In bisherigen Lasern erzeugen Bleisalze den Infrarotstrahl. Ihr Nachteil: Sie müssen aufwendig mit teurem flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Daher sind diese Systeme vergleichsweise groß und teuer. Mit der geringen Kühlleistung eines kleinen elektrischen Peltier-Elements kommen hingegen die kompakteren Systeme mit Quantenkaskaden-Lasern aus.

»Nicht nur Ammoniak – alle möglichen Gase, die infrarote Strahlung absorbieren, können mit unseren Laserspektrometern gemessen werden«, betont Dr. Thomas Beyer vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM. »Dazu zählen Stickoxide, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe. Dank der hohen Strahlleistung der Laser lassen sie sich über größere Distanzen berührungslos messen.«

Das Herz des Lasers besteht aus hunderten Schichten verschiedener halbleitender Materialien. Von deren Zusammensetzung, Dicke und Abfolge hängt es ab, auf welche spezifische Wellenlänge der Laser eingestellt ist. Erzeugt wird die infrarote Strahlung von Elektronen, die wie ein Wasserfall in Kaskaden durch die Schichtstruktur stürzen. Diese Materialien entwickeln und fertigen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF und des Instituts für Technische Physik der Universität Würzburg. Ein weiterer Partner des vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung BMBF geförderten Projekts ist eine Arbeitsgruppe an der Technischen Universität Darmstadt, die die Eigenschaften der Laserstrahlung untersucht. Das IPM fertigt speziell an die Laser angepasste optische Module, die zusammen mit den passenden Detektoren in die Mess-Systeme integriert werden.

Ihre Erfahrung ermöglicht es den Fraunhofer-Forschern, komplette Systeme anzubieten und sie auf spezifische Kundenwünsche abzustimmen. »Es ist durchaus zu erwarten,« schätzt Projektleiter Beyer optimistisch ein, »dass Quantenkaskaden-Laser in vielen industriellen Anwendungsbereichen die Messtechnik revolutionieren werden.«

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Dr. Thomas Beyer Mediendienst

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