Die Weiterentwicklung von Lasersystemen, wie sie in Spektroskopen verwendet werden, stellt eine kostspielige und komplexe Herausforderung dar. Um jedoch auch kleinen und mittleren Unternehmen innovative Anwendungen zu ermöglichen, hat das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM im Rahmen des Projekts QuantumCascade ein modulares Lasersystem für multispektrale Analysen entwickelt.
Infrarot-Spektroskopie hat in den letzten zwei Jahrzehnten an Genauigkeit und Komplexität gewonnen und wird in Bereichen wie den Geowissenschaften, der Recycling-Industrie oder der Medizintechnik eingesetzt. Bisherige Geräte sind jedoch oft groß und stationär. Obwohl handliche Spektroskope, die auch im Feld eingesetzt werden können, großes Potenzial hätten, ist ihre Entwicklung und Miniaturisierung aufwendig und teuer.
Hier setzt das Projekt QuantumCascade an: Ein modulares, leistungsfähiges Lasersystem, das auf einer Glasplatine integriert ist, soll den Entwicklungsaufwand für neue Geräte deutlich senken. Hersteller können dadurch auf eine flexible und zuverlässige Lichtquelle zurückgreifen. Durch den Einsatz von Quantenkaskadenlasern (QCLs) deckt das System den mittleren Infrarot-Bereich (MIR) zwischen 2 µm und 15 µm ab. Bis zu drei QCLs können so programmiert werden, dass sie ultrakurze Pulse von nur 5 Nanosekunden aussenden, die für die spektroskopische Analyse organischer Substanzen von besonderer Bedeutung sind.
Hoch integriert für verschiedenste Anwendungen
Zusätzlich zu den eigentlichen Lasern wurden in Zusammenarbeit mit der Firma Laser Electronics LE GmbH auch Lasertreiber in das System integriert. Das System verfügt zudem über eine integrierte optische Strahlformung und -übertragung mittels asphärischer Optiken und Fasern, die speziell für den mittleren Infrarot-Bereich (MIR) optimiert wurden.
Neuartiges Aufbaukonzept für stabile Laserleistung
Das innovative Konzept sieht vor, dass jeder der Quantenkaskadenlaser (QCLs) in einem temperaturstabilisierbaren Hohlraum auf der Glasplatine sitzt. Dadurch lassen sich die dicht beieinanderliegenden Laser in ihrer Temperatur und damit in ihrer Wellenlänge unabhängig voneinander präzise einstellen und stabil betreiben.
Die integrierte Elektronik, bestehend aus Treibern und Regelkreisen, wird mithilfe industrieller Lötprozesse auf einer dünnfilm-metallisierten Glasplatine angebracht. Diese Platine wurde zuvor mittels selektiver Laserätzung im Mikrometerbereich so strukturiert, dass auch die optischen Komponenten direkt eingesetzt werden können. Dank dieses hohen Integrationsgrads lässt sich das gesamte System verkapseln, was den Einsatz in rauen Umgebungen oder die Desinfektion in medizinischen Anwendungen ermöglicht.
Aufbau auf bewährter Technologie
Bei der Entwicklung des Lasersystems konnte das Forschungsteam auf die Erfahrungen aus dem Vorgängerprojekt PhotMan zurückgreifen, in dem bereits ein vielseitiges faseroptisches Sensorsystem realisiert wurde. QuantumCascade nutzt dabei eine am Fraunhofer IZM etablierte Dünnglas-Plattform weiter, die die effiziente Integration und Kopplung von optischen und elektronischen Bauteilen ermöglicht.
Quelle
Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM (08/2025)