Flexibel spektral steuerbare Strahlungsquellen für multimodale spektroskopische Analyse

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Hofmann; Privatdozent Dr. Bernd Sumpf
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427211214

Die langfristige Vision dieses Projektes ist es, eine abstimmbare Lichtquelle für simultane multimodale Sensoranwendungen im UV, im Nahinfraroten und im THz-Bereich zu realisieren. Konkretes Ziel für den beantragten Zeitraum ist die Entwicklung eines Sensors für gleichzeitige THz- und Ramanspektroskopie auf Basis monolithisch abstimmbarer Diodenlaser. THz- und Ramanspektroskopie adressieren unterschiedliche Anregungen und der entsprechende Mehrwert an Information ist für viele Anwendungen interessant. Wir wollen am Beispiel Abgasanalyse mittels THz-Spektroskopie relevante Abgase und mittels Ramanspektroskopie Rußpartikel vermessen. Eine von vielen weiteren möglichen Anwendungen solch eines multimodalen Sensors liegt in der Kontrolle verpackter Lebensmittel: durch die Verpackung hindurch könnten mittels Ramanspektroskopie die Beschaffenheit des Lebensmittels und mittels THz-Spektroskopie die Zusammensetzung der Atmosphäre in der Verpackung (z.B. Wassergehalt) analysiert werden. Gelänge es, eine Zweifarben-Strahlungsquelle zu entwickeln, deren spektraler Abstand zwischen den beiden Emissionswellenlängen zwischen 0 nm und 6.4 nm elektrisch veränderbar wäre, könnte durch Differenzfrequenzerzeugung der für spektroskopische Analysen (z.B. von beim Abgasprozess relevanten Gasen N2O, NO, CO, NO2, SO2 und H2O.) interessante Spektralbereich von 0 bis 3 THz komplett abgedeckt werden. Mit spektralen Abständen bis zu 7 nm könnte man auch spektral sehr breite Ramanbanden (z.B. von amorphem Kohlenstoff) von einem Störuntergrundsignal wie der Fluoreszenz oder Umgebungslicht trennen.Somit ist unser konkretes Projektziel, eine Diodenlaser-basierte monolithisch integrierte Strahlungsquelle zu realisieren, die einen abstimmbaren Zweifarbenbetrieb mit bis zu 7 nm Wellenlängenabstand ermöglicht und damit exemplarisch einen multimodalen Sensor zu demonstrieren, der mittels THz-Spektroskopie relevante Abgase und mittels Raman-Spektroskopie Rußpartikel analysiert. Eine Voraussetzung für diese Entwicklung ist einerseits die Verbesserung des Verständnisses derartiger Diodenlaser hinsichtlich des lateralen Designs (Krümmung der Wellenleiter, Kopplung der Zweige) aber auch andererseits das Verständnis der notwendigen Anforderungen an eine derartige Lichtquelle für die THz Erzeugung und die Raman-Spektroskopie. Als Wellenlänge für die Mehrwellenlängen-Diodenlaser wurde 830 nm ausgewählt. Zum einen ist diese Wellenlänge eine für die Raman-Spektroskopie etablierte Wellenlänge, bei der auch die notwendigen Filterelemente zur Verfügung stehen und reduziert eine potentiell auftretende Laser induzierte Fluoreszenz. Eine Detektion von Raman-Spektren im für eine Identifikation der Substanz wichtigen spektralen Fingerprintbereich ist mit Silizium-basierten Detektoren möglich. Zum anderen ist diese Wellenlänge für die Erzeugung von THz-Strahlung ideal, da sie aufgrund des Absorptionsspektrums von LT-GaAs optimal für die photoleitenden Antennen auf LT-GaAs Basis abgestimmt ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Carsten Brenner