Im Bereich der NIR-Spektroskopie bietet der Einsatz von laserbasierten Lichtquellen gerade in Kombination mit optimierten Monochromatoren ein enormes Weiterentwicklungspotential
Der prinzipielle Aufbau von IR-Spektrometern mit einem durchstimmbaren Laser wie einem QCL, einer Probe und einem Punktdetektor ist relativ einfach. Aufwändiger ist, eine Probe mit einer breitbandigen Quelle anzuregen, da eine Wellenlängenselektion vor einem ein- (1D-) oder zweidimensionalen (2D-) Sensor erforderlich ist. Eine Selektion kann mittels optischer Filter, Gitter, Prismen oder einem Interferometer mit anschließender Fourier-Transformation (FT) realisiert werden. Die Doppelkammspektroskopie (DCS) stellt eine Variation der FT-Spektroskopie dar, die vor allem durch ihre hohe Geschwindigkeit sowie großes Integrationspotential dank der Abwesenheit beweglicher Teile besticht1. Eine Kombination von schmalbandigen Spektralfiltern und Multispektralsensoren kann auf den spezifischen Nachweis eines Analyten abgestimmt werden. Ein technologischer Bedarf besteht, die Anzahl der Wellenlängen pro Sensorchip zu erhöhen. Die Realisierung und Miniaturisierung der erforderlichen Komponenten lassen sich mittels Mikrosystemtechnik erreichen. Durchstimmbare MIR-QCL-Anregungsquellen ermöglichen auch neue mikroskopische Imaging-Konzepte mit ungekühlten Mikrobolometern aus 480×480 Elementen oder auf Grundlage von photothermischen Detektionsverfahren. QCLs können mit einer wesentlich höheren Effizienz in IR-transparenten Lichtwellenleitern für Sonden-basierte IR-Anwendungen eingekoppelt werden. Strahlformer und Strahlkombinierer tragen zu höheren Ausgangsleistungen von QCLs bei.
Bei der sog. optischen photothermischen IR-Spektroskopie wird nicht die Transmission, sondern der photothermische Effekt nach Absorption von IR-Strahlung detektiert. Diese Detektion von Expansion und Brechungsindexänderung in der Probe kann mit einem Laser im sichtbaren Spektralbereich erfolgen, was Vorteile hinsichtlich räumlicher Auflösung, Substratauswahl und Kompatibilität mit wässrigen Proben bietet. Ebenso erlaubt die photothermische IR-Spektroskopie die Entwicklung von hochempfindlichen, miniaturisierten Gassensoren2. Des Weiteren können weitverbreitete Detektoren im sichtbaren Bereich eingesetzt werden, wie Photodioden, CCD- oder CMOS-Kameras. Der photothermische Effekt nach IR-Absorption kann auch durch die Ablenkung einer Cantilever-Spitze registriert werden, was als photothermisch induzierte Resonanz (PTIR) Mikroskopie bezeichnet wird und räumliche Auflösung unterhalb des Auflösungsvermögens von Licht ermöglicht. Die photoakustische Spektroskopie (PAS) setzt IR-Strahlungsquellen zur Anregung und MEMS-basierte Mikrophone ein, um Schallwellen aufgrund Expansion nach IR-Absorption zu detektieren. Wegen der besseren Durchlässigkeit von Schallwellen in Gewebe im Vergleich zu Licht- und IR-Wellen sind die Eindringtiefen von PAS größer und tomografische Anwendungen möglich. Ziele einer vollintegrierten IR-Spektrometertechnologie, die breite Anwendbarkeit in medizinischen und Verbraucherbereichen ermöglichen, sind Miniaturisierung, Kompaktheit, Kosteneffizienz, Robustheit, Möglichkeit zur Massenfertigung, niedriger Energieverbrauch und Konnektivität 3,4. Im Bereich der NIR-Spektroskopie bietet der Einsatz von laserbasierten Lichtquellen gerade in Kombination mit optimierten Monochromatoren ein enormes Weiterentwicklungspotential. Im Bereich von industriellen Anwendungen für die Inline Prozessüberwachung von unterschiedlichsten chemischen und physikalischen Prozessen in Anlagen gehören die Aufrechterhaltung und Erhöhung der Messgenauigkeit zu den wichtigsten Zielen.
Die oben genannten Mikrobolometer-Bildsensoren weisen eine Wellenlängen-unabhängige Detektivität auf und sind deshalb vom nahen über den mittleren bis in den fernen IR-Bereich einsetzbar. Weiterhin konnten die Herstellungskosten so stark gesenkt werden, dass Mikrobolometer-Bildsensoren heute für einige 10 Euro kommerziell erhältlich sind. Allerdings liegt ihre Empfindlichkeit etwa drei Größenordnungen unter derjenigen von Bildsensoren auf Basis von Halbleitern mit direkter Bandlücke. InAsSb ist eine neue Klasse von Verbindungshalbleitern, dessen Grenzwellenlänge sich bis etwa 15 µm einstellen lässt. Auch für nanometrische Halbleitermaterialen, sogenannter Quantum Dots (QD), wurden interessante Grenzwellenlängeneigenschaften mit Empfindlichkeiten im MIR bis über 5 µm gezeigt5. Ein überraschender, neuer Ansatz für rauscharme MIR-Bildsensorik beruht auf optischen Verstärkermaterialien (up-convertors), welche nur Photonen aus einem stark eingeschränkten Aperturbereich verstärken. Auf diese Weise kann der Dunkelstrom bei gleichbleibender Grenzwellenlänge stark reduziert wurden. Mit diesem Ansatz konnte bereits MIR-Bildsensorik mit Einzelphotonenauflösung bei Raumtemperatur – ohne jede Kühlung – demonstriert werden6.
(1) Picqué, N.; Hänsch, T. W. Nature Photonics 2019, 13, 146-157.
(2) Waclawek, J. P.; Moser, H.; Lendl, B. Opt. Express 2021, 29, 7794-7808.
(3) Benéitez, N. T.; Baumgartner, B.; Missinne, J.; Radosavljevic, S.; Wacht, D.; Hugger, S.; Leszcz, P.; Lendl, B.; Roelkens, G. Opt. Express 2020, 28, 27013-27027.
(4) Sieger, M.; Mizaikoff, B. Analytical Chemistry 2016, 88, 5562-5573.
(5) Keuleyan, S.; Lhuillier, E.; Brajuskovic, V.; Guyot-Sionnest, P. Nature Photonics 2011, 5, 489-493.
(6) Dam, J. S.; Tidemand-Lichtenberg, P.; Pedersen, C. Nature Photonics 2012, 6, 788-793.
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