Man stelle sich ein kleines, handliches Messgerät vor, mit dem die Umweltverantwortliche eines Industriebetriebs das Abwasser ihrer Produktionsstätte überprüfen kann. Ein Gerät, das innert Sekunden die im Wasser gelösten Verunreinigungen analysiert und Alarm schlägt, wenn eine Konzentration über dem Grenzwert liegt. Oder man stelle sich ein portables Gerät vor, das der Sicherheitsdienst eines Flughafens im Falle einer Terrordrohung für Luftanalysen brauchen kann. Dieser Apparat wäre in der Lage, zuverlässig bereits kleinste Spuren von Giftgas zu erkennen. Analytische Apparate mit diesen Funktionen gibt es in grossformatiger Ausführung in spezialisierten Labors. «Tragbare Versionen davon gibt es kaum», sagt ETH-Doktorand Andreas Hugi. «Meist weisen diese bewegliche mechanische Elemente auf, und es mangelt daher an der Genauigkeit und der Zuverlässigkeit.»

Hugi hat nun zusammen mit seinen Kollegen aus der Gruppe von Jérôme Faist, Professor für Quantenelektronik, bei einem sehr kleinen, breitbandigen Laser spezielle Eigenschaften entdeckt. Dank diesen soll es in Zukunft möglich sein, mit solchen Lasern kleine und zugleich genaue Analysegeräte zu bauen – sogenannte Spektrometer.

Die Physik hinter dieser Methode: In Flüssigkeit gelöste oder gasförmige Moleküle absorbieren Infrarotlicht bestimmter Wellenlängen und zeigen dabei ein charakteristisches Absorptionsspektrum. In der Spektrometrie nutzt man diese Absorption. Man schickt infrarotes Licht durch Flüssigkeits- oder Gasproben und analysiert, welche Anteile dieses Lichts die Probe durchdringen können. Aus dem erhaltenen Farbspektrum kann man auf die Stoffe schliessen.

Millimeterkleine Laserquellen

Im Ansatz der ETH-Forscher sind die Lichtquellen für die Spektrometrie sogenannte Quantenkaskadenlaser, die Licht in genau jenem Bereich produzieren, in dem sich das Absorptionsspektrum von Gasen und Flüssigkeiten befindet: dem mittleren Infrarotbereich. Diese Lichtquellen sind gerade mal sieben Millimeter klein. Solche Laser gibt es schon länger: Den ersten solchen Laser hat ETH-Professor Faist vor fast 20 Jahren entwickelt, damals in den Bell Labs in den USA. Heute gehört seine Gruppe zu den weltweit führenden Teams, die breitbandige Laser entwickeln. Das Licht dieser Laser hat nicht eine bestimmte Farbe, sondern ist bei genauer Betrachtung aus hunderten von ähnlichen Farben zusammengesetzt.

Forscher aus Faists Gruppe haben nun eine solche Lichtquelle aus dem mittleren Infrarotbereich genauer untersucht. Wie sie herausfanden, sind dabei die Frequenzen der hunderten von ähnlichen Farben genau definiert und stehen in einem regelmässigen Abstand zueinander. «Man kann sich das wie die Zentimetermarkierungen auf einem Massstab vorstellen», erklärt Hugi. «Bei der Laserquelle nennt man das einen Frequenzkamm.» Dass Quantenkaskadenlaser im mittleren Infrarotbereich einen solchen Frequenzkamm haben können, war bisher nicht bekannt. In ihrer im Fachmagazin «Nature» erschienen Arbeit stellen die ETH-Wissenschaftler den ersten von einem Quantenkaskadenlaser mittleren Infrarotbereich generierten Frequenzkamm vor.

Trick mit zwei Lasern

Damit die Physiker in Zukunft solche Quantenkaskadenlaser-Frequenzkämme zusammen mit einem Lichtdetektor als Spektrometer nutzen können, müssen sie zu einem Trick greifen: Sie wollen zwei Quantenkaskadenlaser-Frequenzkämme mit leicht unterschiedlichen Frequenzintervallen kombinieren. «So wie es bei nicht aufeinander gestimmten Musikinstrumenten zu akustischen Schwebungen kommt, gibt es auch bei den beiden ungleichen Frequenzkämmen Schwebungen – allerdings solche optischer Art», sagt Hugi. Aus diesen Schwebungen kann schliesslich mit mathematischen Methoden das Absorptionsspektrum der untersuchten Proben ausgerechnet werden. «Damit wird man künftig in Sekundenschnelle ein ganzes Spektrum aufzeichnen können», so der ETH-Doktorand.

Bis es soweit ist, sei allerdings noch weitere Entwicklungsarbeit nötig. Beispielsweise verfüge der untersuchte Laser nur in einem Teil seines Farbspektrums über Eigenschaften eines Frequenzkamms. Für eine Anwendung in der Spektrometrie sei es wünschenswert, den Laser weiterzuentwickeln, um diesen Bereich zu vergrössern.

Dass bisherige Spektrometer, die ganze Absorptionsspektren aufzeichnen können, sehr viel grösser sind, liegt daran, dass sie eine andere Technik verwenden. Als Lichtquelle kommt dabei üblicherweise nicht ein Laser zum Einsatz, sondern eine relativ schwache Glühbirne. Erst durch eine aufwendige optische Messanordnung mit beweglichen Spiegeln ist es möglich, damit ein Absorptionsspektrum zu erhalten. Je grösser die Messanordnung ist, desto genauer sind dabei die Analysen – und umgekehrt. Daher sind der Miniaturisierung der Geräte mit der bisherigen Technik laut Hugi enge Grenzen gesetzt. Nicht so mit dem millimeterkleinen Quantenkaskadenlaser, der elektronisch gesteuert wird und dessen Auflösung nicht von einer optischen Messanordnung abhängig ist.

Literaturhinweis

Hugi A, Villares G, Blaser S, Liu HC, Faist J: Mid-infrared frequency comb based on a quantum cascade laser. Nature, 2012, 492: 229-233. DOI: 10.1038/nature11620