Hochempfindliches mid-IR Gassensorsystem

Innerhalb dieses Projektes sollen Anstrengungen unternommen werden um die Nachweisstärke von bereits hochempfindlichen Gassensoren, welche auf der Verwendung von Lasern im mittleren Infrarot sowie mit fotoakustischer Detektion basieren, weiter zu verbessern. Bei der fotoakustischen Detektion werden Moleküle mit Infrarotstrahlung variierender (modulierter) Intensität bestrahlt wodurch es zu einer periodischen Erwärmung der Moleküle kommt. Dies wiederrum hat zur Folge, dass durch die so entstehenden Druckwellen es zur Ausbreitung von Schall kommt. Dieser kann durch geeignete empfindliche Mikrofone gemessen werden. Hierbei ist zu beachten dass die Lautstärke des so generierten Schalls direkt von der Konzentration der Moleküle sowie von der Stärke des eingesetzten Lasers abhängt. Eine erst kürzlich verfügbare, modern variante dieser Technik verwendet spezielle, aus Quarz gefertigte Stimmgabeln welche, sobald sie Schallwellen ausgesetzt sind ein messbares, elektrisches Signal liefern. Durch die Verwendung von Qunatenkaskadenlasern (QCL) kann sowohl eine hervorragende Selektivität, d.h. nur die zu messenden Molekülart kann auch tatsächlich erfasst werden, als auch eine hohe Nachweisstärke erreicht werden. Man erfasst quasi einen molekularen Fingerabdruck der gesuchten Moleküle. QCLs können den ganzen mittleren Infrarotbereich (Lichtwellenlänge von 3 bis 25 m) und sind daher für eine Vielzahl von Messaufgaben einsetzbar. Leider beträgt die Leistung solcher Laser nur rund 10 bis 100 mW. Ziel dieses Projektes ist es daher eine Verstärkung des Lichtes mit Hilfe einer optischen Kavität zu erreichen. Die so erreichbaren Nachweisstärken können im ppt Bereich liegen. Das bedeutet, dass ein Molekül in der Gegenwart von 1 000 000 000 000 anderen Molekülen detektiert werden kann. Anwendungen dieser Technologie liegen in der biomedizinischen Diagnostik sowie in der Umweltanalytik als auch in der industriellen Prozesskontrolle.

Im Rahmen des FWF Projekts PIR 40-N34 wurde an der TU Wien eine neue laserbasierte Methode zur Detektion von Spurengasen entwickelt. Diese Methode zeichnet sich durch ihre äußerst hohe Empfindlichkeit, sowie der sehr kompakten Bauweise aus. Die entwickelte Technik beruht auf der hochauflösenden Messung der Änderung des Brechungsindex eines Gases innerhalb einer optischen Kavität. Die gesuchten Moleküle werden hierbei punktuell mit einem darauf abgestimmten Laser angeregt und somit erhitzt. Dadurch ändert sich die Temperatur und der Brechungsindex des Gases. Der veränderte Brechungsindex kann nun sehr präzise innerhalb eines Systems bestehend aus zwei teildurchlässigen Spieglen einer optischen Kavität gemessen werden. Hierzu wird ein zweiter Laserstrahl durch die Kavität geschickt, welche nur Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge optimal transmittiert. Wenn Spuren des gesuchten Gases vorhanden sind und erhitzt werden, ändert sich der optische Brechungsindex des Gases und infolgedessen die Wellenlänge, welche zwischen die beiden Spiegel passt. Diese Eigenschaft kann mit dem Messsytem sehr empfindlich detektiert werden. Für eine verbesserte Performance wurde eine effiziente Rauschunterdrückung neu in das System integriert. Dafür wird der zweite Laserstrahl in zwei Teilstrahlen zerlegt und beide Strahlen werden durch die gleiche Kavität geführt. Durch eine gleichzeitige Detektion dieser beiden Teilstrahlen können interne und externe Rauschquellen mit sehr hoher Effektivität eliminiert werden. Dadurch kann die Empfindlichkeit, sowie Robustheit des Systems stark erhöht werden. Die messtechnischen Eigenschaften des entwickelten Prototyps wurden anhand der Spurenanalyse von Schwefeldioxid demonstiert. Hier konnten Konzentrationen im einstelligen Milliardstelbereich gemessen werden. Weitere Verbesserungen sollen die erreichbaren Nachweisgrenzen noch deutlich nach unten drücken. Ein wesentlicher Vorteil der neuen Messtechnik ist neben ihrer hohen Empfindlichkeit die Miniaturisierbarkeit: Bei der klassischen Absorptionsspektroskopie muss der Laserstrahl möglichst lange durch das zu untersuchende Gas gelenkt werden oft über dutzende Meter, um empfindliche Messungen über Lichtabschwächung zu ermöglichen. Misst man hingegen die Änderung des optischen Brechungsindex, ist eine Messung auf extrem kleinen Raum innerhalb weniger mm möglich, womit eine sehr kompakte Bauweise des Sensors erzielt werden kann. Einsatzmöglichkeiten für die neue Messtechnik gibt es viele in der Umweltanalytik, beispielsweise wenn es darum geht gefährliche Abgase nachzuweisen, in der Medizin zur Analyse der Atemluft, oder in der Industrie zum Überwachen von Produktionsprozessen. Publikation: Balanced-detection interferometric cavity-assisted photothermal spectroscopy, J. P. Waclawek et al., Optics Express, Vol. 27, Issue 9, pp. 12183-12195 (2019)