Für die Entwicklung haben unsere Forscher vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) mit Wissenschaftlern vom Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) zusammengearbeitet. Gemeinsam haben wir eine Laserquelle im mittleren Infrarot entwickelt, die auf Halbleiterlaser- und MEMS-Technologie basiert und deren Wellenlänge sehr schnell über einen breiten Spektralbereich abgestimmt werden kann.
Hintergrund: Nahezu jede chemische Substanz absorbiert Licht im mittleren infraroten Wellenlängenbereich (Wellenlängenbereich 4-10 µm), da hier die Grundmoden der kombinierten Rotations-Schwingungsmoden liegen. Die daraus resultierenden Absorptionsbanden sind charakteristisch wie ein Fingerabdruck beim Menschen und erlauben eine eindeutige Identifizierung chemischer Bindungen.
Mit einer Scanfrequenz von bis zu einem Kilohertz kann die Wellenlänge der von uns entwickelten Laserquelle über mehr als 20 Prozent der Zentralwellenlänge durchgefahren werden. Damit kann diese Laserquelle als Herzstück für echtzeitfähige optische Sensorsysteme dienen, in denen bis zu tausend Absorptionsspektren pro Sekunde gemessen werden. Zudem ist durch die Verwendung von Halbleitertechnologie die Laserquelle sehr kompakt und nicht viel größer als eine Streichholzschachtel, so dass auch handgehaltene und kompakte Sensorsysteme möglich werden.
Die Laserquelle ist gerade so groß wie eine Streichholzschachtel.
Erste Anwendungen bereits erprobt
Das enorme Potenzial dieser Laserquelle im Bereich der industriellen und speziell auch pharmazeutischen Prozessanalytik wurde bereits am Fraunhofer IAF gezeigt. So ist es beispielsweise möglich, verschiedene Medikamente wie Aspirin oder Paracetamol von Substanzen wie Traubenzucker zu unterscheiden, indem Tabletten einfach mit dem Laser beleuchtet werden, ein Detektor das zurückgestreute Licht aufnimmt und die darin enthaltenen Absorptionsbanden von einem Rechner ausgewertet und mit einer Datenbank abgeglichen werden. Die Analyse erfolgt dabei innerhalb weniger Millisekunden, so dass auch große Probenmengen, z. B. Tabletten auf einem Förderband, in kürzester Zeit vermessen werden können.
Auf dem gleichen Prinzip beruhend wurde bereits ein erster Demonstrator für einen handgehaltenen Gefahrstoffscanner im Rahmen des EU-Projekts »CHEQUERS« realisiert, der es erlaubt, aus einer Entfernung von einigen Metern verdächtige Substanzen wie Sprengstoffe oder Drogen zu identifizieren. Ein solches Produkt könnte künftig Feuerwehr und Sicherheitskräfte bei ihrer Arbeit unterstützen.
Einsatzszenario Industrie 4.0
Aber nicht nur Feststoffe lassen sich mit dieser Laserquelle identifizieren. Am Fraunhofer IAF konnte gezeigt werden, dass es auch möglich ist, Gase und Flüssigkeiten zu vermessen. Chemische Reaktionen in Flüssigkeiten lassen sich nun mit einer Zeitauflösung von weniger als einer Sekunde verfolgen, so dass eine automatisierte Überwachung und Steuerung chemischer und biotechnologischer Prozesse in Echtzeit möglich wird. Die Laserquelle kann damit einen wichtigen Beitrag auf dem Weg zur Fabrik der Zukunft und der Industrie 4.0 leisten.
Die Laserquelle wird zurzeit im Rahmen der europäischen Pilotlinie »MIRPHAB« mit der Unterstützung des Fraunhofer IPT in Richtung Produkt weiterentwickelt. Dabei steht vor allen Dingen der Herstellungsprozess im Vordergrund, um eine kostengünstige und schnelle Herstellung der Laserquelle für künftige Anwender und Kunden zu ermöglichen. Unterdessen arbeiten das Fraunhofer IAF und das Fraunhofer IPMS gemeinsam an der Erweiterung der Funktionalitäten des Lasers, wie z. B. variable Scangeschwindigkeit und eine weiter reduzierte Linienbreite, um das Potenzial dieser Lichtquelle noch weiter auszubauen.