Miniaturisierte Spektrometer Klein, günstig und auf dem Weg zur Alltagstauglichkeit

Die Firma Nanolambda aus den USA hat ein Mini-Spektrometer entwickelt, dessen Funktionsweise auf einer Kombination aus Fabry-Perot- und Plasmonenfilter basiert.
Die Firma Nanolambda mit Sitz in der südkoreanischen Großstadt Daejeon hat ein Mini-Spektrometer entwickelt, dessen Funktionsweise auf einer Kombination aus Fabry-Perot- und Plasmonenfilter basiert.

Die Materialuntersuchung mittels Spektralanalyse erfordert bisher relativ sperrige und teure Apparaturen. Jetzt ist es gelungen, die Funktion auf einen nur 5 x 5 mm² kleinen Siliziumchip zu bringen. Dank einer günstigen Herstellung werden sich zahllose neue Einsatzgebiete ergeben.

Zur Zerlegung des Lichtspektrums in seine einzelnen Bestandteile sind verschiedene Verfahren etabliert. Klassisch nutzt man dafür ein Prisma oder Beugungsgitter in Kombination mit einem kontinuierlich durchgefahrenen Fotodetektor. Aufgrund der mechanisch bewegten Teile dauert dieser Vorgang allerdings relativ lang. Schneller ist die Verteilung des Spektrums auf die Pixel eines Zeilensensors oder die Trennung in viele einzelne Kanäle mittels einer optischen Filterbank und dahinter als optisch-elektrischer Wandler ein Zeilen- oder Bildsensor (Bild 1). Bei den letzteren beiden Verfahren ergibt sich prinzipbedingt eine Rasterung des Wellenlängenbereichs.

Mögliche Filterprinzipien sind beispielsweise planare Wellenleiter, Beugungsgitter, Fabry-Perot-Platten oder – noch sehr neu – Filter auf Basis von Plasmonen-Nanooptik. Plasmonen sind quantisierte Schwingungen der Elektrondichte in der Oberfläche von Metallen, die durch äußere elektromagnetische Felder angeregt werden können, insbesondere durch Lichtwellen. Gibt man der Metallschicht eine sich periodisch wiederholende Struktur mit einem Raster kleiner als die Lichtwellenlänge (also im nm-Bereich), dann werden bei Lichteinfall bestimmte Eigenresonanzen angeregt, deren Frequenzen von der jeweiligen Geometrie abhängen. Die hier ablaufenden Prozesse sind überaus komplex und nur mittels Quantenphysik beschreibbar. Bei geeignetem Aufbau entsteht ein optisches Bandpassfilter, das Licht nur innerhalb eines mehr oder weniger engen Wellenlängenbereichs durchlässt und außerhalb davon sperrt. Die Metallstruktur kann verschiedene Formen haben: etwa Nanodrähte, eine Schicht mit Löchern oder auch mit Höckern auf einem transparenten Substrat, Länge, Breite und Höhe in der Größenordnung 200 nm, die Lücken dazwischen bei 40 nm. Letztere lassen sich mit üblichen fotolithografischen Methoden am einfachsten herstellen. Der gewünschte Durchlassbereich ist über den gesamten Bereich des sichtbaren Lichts und auch noch etwas darüber hinaus in Richtung UV und IR einstellbar.

Plasmonen-Filter clever mit Fabry-Perot-Filtern und Software kombiniert

Für eine hohe Auflösung des zu untersuchenden Spektrums braucht man eine große Anzahl von Filterkanälen, und diese müssen möglichst schmalbandig sein. Die Plasmonen-Filter sind hierfür noch nicht scharf genug. Eine zukunftsweisende Lösung hat die Firma Nanolambda aus Daejon in Südkorea gefunden: eine Kombination mit einem Fabry-Perot-Filter. Dieses besteht aus zwei planparallelen Platten, die zu etwas weniger als 100 % verspiegelt sind. Der Lichtstrahl läuft dazwischen vielfach hin und her; dadurch ergibt sich eine Kammfilter-Charakteristik mit vielen sehr schmalbandigen Peaks. Davon kann man jeweils nur einen gebrauchen, die übrigen müssen mit anderen Filtern unterdrückt werden. Dazu dient hier das Plasmonen-Filter. So resultiert ein sehr schmalbandiges optisches Filter mit nur einem einzigen Durchlassbereich.