Optische Spektralanalyse mittels Mikropartikelarray

• Antragsteller: Dr.-Ing. Thomas Weigel
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410207441

Ziel des Vorhabens ist es eine Methode zur optischen Analyse von Licht mit Hilfe eines Arrays aus sphärischen Mikropartikeln zu entwickeln. Solche Partikel besitzen aufgrund ihrer hohen Symmetrie sehr gute Resonanzeigenschaften. Die entsprechenden Resonanzspektren sind sehr charakteristisch für jeden einzelnen Resonator. Regt man ein Array von unterschiedlich großen Partikeln mit Licht an, so lässt sich dessen spektrale Verteilung durch die charakteristischen Resonanzspektren dieser Partikel approximieren. Die zur eigentlichen Messung benötigten Resonanzspektren werden in einer Kalibrierungsphase mit Hilfe eines durchstimmbaren Lasersystems aufgezeichnet und gespeichert. Bei der eigentlichen Messung werden die Resonatoren mit dem zu analysierenden Licht angeregt. Die Rekonstruktion des Lichtspektrums erfolgt dann mit Hilfe der Intensitätsverteilung über die unterschiedlichen Mikropartikel sowie mit deren Resonanzspektren. Die Auswertung der erhaltenen Daten lässt sich auf ein lineares Gleichungssystem zurückführen. Die Lösung dieses mathematischen Problems spielt eine zentrale Rolle bei der Bestimmung des Spektrums der Lichtquelle und ist damit ein wichtiger Bestandteil dieses Projekts. Die Qualität der spektralen Rekonstruktion hängt von unterschiedlichen Parametern, wie etwa Anzahl, Größe und Größenverteilung der verwendeten Mikropartikel, ab. Auch die Art der Fragestellung spielt eine entscheidende Rolle. Wird etwa das Licht einer schmalbandigen Quelle, wie z.B. eines Lasers, charakterisiert, so werden andere Anforderungen an das Mikropartikelarray gestellt als beispielsweise für die Charakterisierung von breitbandigen Atom- oder Molekülspektren. Die Leistungsfähigkeit der Methode soll zunächst an schmalbandigen Laserdioden getestet werden. Aufgrund von Vorarbeiten ist mit einer spektralen Auflösung im Subpikometerbereich zu rechnen. Die Anwendbarkeit des Verfahrens auf breitbandige Lichtquellen kann z.B. mittels geeigneter Leuchtdioden überprüft werden. Zunächst scheint eine Bestimmung des Spektrums nur innerhalb des Kalibrierbereichs möglich zu sein. Im Rahmen dieses Vorhabens soll daher untersucht werden, in wieweit eine Extrapolation auf Wellenlängenbereiche außerhalb des Kalibrierbereichs trotzdem möglich ist. Dies soll zunächst auf Basis von Simulationen untersucht und gegebenenfalls experimentell verifiziert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen