Forschung im Bereich Optoelektronik Echtzeit-Messsystem mit Quantenkaskadenlaser

Quantenkaskadenlaser ermöglichen Infrarotspektroskopie an Flüssigkeiten, zum Beispiel in der Prozessanalytik.
Quantenkaskadenlaser ermöglichen Infrarotspektroskopie an Flüssigkeiten, zum Beispiel in der Prozessanalytik.

Um die Qualität von Pharmazeutika zu gewährleisten, müssen sowohl Hersteller als auch Zulieferer ihre Produkte überwachen. Um solche Prozesse zu verbessern, hat das Fraunhofer IAF nun ein Messsystem zur Identifizierung verschiedener Substanzen entwickelt. Doch auch andere Branchen profitieren davon.

Gerade im Bereich der Pharma- und Lebensmittelproduktion ist die kontinuierliche Überwachung der Inhaltsstoffe unverzichtbar. Normalerweise wird das über Probenahmen und anschließende Laboruntersuchungen durchgeführt. Solche Verfahren sind aufwendig und lassen nur Stichproben zu. Forscher des Fraunhofer Instituts für angewandte Festkörperphysik IAF haben nun ein Echtzeit-Messsystem entwickelt. Es identifiziert sogar kleinste Stoffmengen anhand der molekularen Zusammensetzung.

Verfahren mit Quantenkaskadenlasern

Herzstück des Messsystems ist ein Quantenkaskadenlaser (QCL) im mittleren Infrarotbereich. Damit lassen sich bereits kleine Mengen chemischer Substanzen identifizieren oder chemische Reaktionsprozesse verfolgen. Mit dem System können Qualitätsprüfer verschiedene chemische oder pharmazeutische Inhaltsstoffe kontaktlos identifizieren. Dadurch lassen sich aufwendige Labor-Messverfahren ersetzen – das spart Zeit und Kosten.

Die Wissenschaftler haben zusammen mit dem Fraunhofer IPMS eine Laserquelle entwickelt, mit der der gesamte Wellenlängenbereich des QCL-Emitters innerhalb von einer Millisekunde abgetastet wird. Basis der »Fingerprint-Methode« ist der mittlere Infrarotbereich von 4 bis 12 µm. Dieser Wellenlängenbereich hat den Vorteil, dass viele chemische Verbindungen in dem Bereich ein individuelles Absorptionsverhalten besitzen, ähnlich wie ein menschlicher Fingerabdruck. Das ersetzt aufwendige Labormessverfahren, was Zeit spart und die Kosten reduziert.

Variable Scangeschwindigkeit

Der QCL von Fraunhofer hat eine variable Scangeschwindigkeit sowie eine breite Durchstimmbarkeit. Er kann mit hohen Scanfrequenzen oder über einen sehr weiten Wellenlängenbereich durchgestimmt werden. Erreicht wird das über einen externen Resonator mit verschiedenen MOEMS-basierten Gitterscannern. Dadurch kann der Laser bis zu tausend komplette Infrarot-Spektren pro Sekunde aufzeichnen und eignet sich für sich schnell ändernde Prozesse, die zum Beispiel im Qualitätsmanagement zur Anwendung kommen.

Das kann nicht nur in der Pharmaindustrie, sondern auch in der Chemie- oder Lebensmittelindustrie wichtig sein. Ebenso kann der QCL in der Schadstoffprüfung, medizinischen Diagnose oder im Sicherheitssektor zum Einsatz kommen. Außerdem ermöglicht die kompakte Bauform auch mobile oder handgehaltene Geräte. Präsentiert wird der QCL auf der »Laser World of Photonics«, die vom 24. bis 27. Juni in München stattfindet.