Preiswerte Chips revolutionieren optische Spektrometrie

3. Dezember 2018, 18:49 Uhr
Chips für die optische Spektrometrie.
Bild: Felice Frankel, MIT.
Chips für die optische Spektrometrie.
Bild: Felice Frankel, MIT.
Spektrometer sind große, teure Messgeräte, welche das optische Spektrum von direktem oder reflektiertem Licht genau quantitativ bestimmen. Sie dienen zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Stoffen in chemischen Laboren bis hin zu fernen Sternen. Nun scheint es möglich, kleine und trotzdem leistungsstarke Spektrometer preiswert in Serie herstellen zu können.

Spektrometer sind Großgeräte, häufig mit sechsstelligen Preisen und stehen in der Regel in den Laboren von Universitäten, Observatorien oder den Forschungsabteilungen größerer Firmen. Neue Entwicklungen von MIT-Forschern könnten nun aber die Herstellung kleiner Spektrometer ermöglichen, die es hinsichtlich Genauigkeit und Leistung mit den Großgeräten aufnehmen können. Durch die Nutzung von normalen Verfahren der Halbleiter-Produktion können sie preiswert in Serie hergestellt werden. Dies würde neue Einsatzgebiete ermöglichen, die bisher entweder aufgrund des Platzbedarfs oder auch schlicht finanziell nicht möglich waren.

Der Hintergrund wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications beschrieben. Laut den Forschern bietet dieser neue Ansatz zur Herstellung von Chip-basierten Spektrometern im Vergleich zu aktueller Technik erhebliche Vorteile bei Leistung, Größe, Gewicht, Kosten und Stromverbrauch. Die Forscher am MIT waren nicht die ersten, die sich an solch einem Spektrometer versuchten. Das große Problem dabei ist, dass die Fähigkeit zur Auftrennung von Licht anhand seiner Wellenlänge stark von der Größe des optischen Systems abhängt. Je kleiner, desto schlechter die Resultate. Auch ein sogenannter mathematischer Ansatz mit Hilfe von Fourier-Transformationen krankt an der nötigen Länge des optischen Systems. Miniaturisierte Spektrometer waren daher immer schlechter als ihre Geräte im Desktop-Format.

Das neue Verfahren basiert auf optischen Schaltern, die einen Lichtstrahl zwischen unterschiedlich langen optischen Bahnen umschalten können. Diese Halbleiter-Schalter erübrigen bewegliche Spiegel und können problemlos mit Standard-Verfahren hergestellt werden. Halbleiter-Spektrometer sind außerdem besonders robust. Durch eine Abstufung der Pfadlängen in Zweierpotenzen und entsprechende Kombination erreicht man eine hohe diskrete Auflösung des erfassten Spektrums, die mit der Anzahl an Pfaden exponentiell zunimmt. Ein Prototyp mit sechs optischen Schaltern erreichte 64 entsprechend spektrale Kanäle. Eine Erweiterung um vier auf nunmehr 10 Schalter würde die Auflösung auf immerhin beachtliche 1.024 spektrale Kanäle ansteigen.
 
Dieser interessante Ansatz ermöglicht den Bau von hochauflösenden Spektrometern auf kleinstem Raum. Im Moment wird noch an einer Verbreiterung des spektralen Bereichs gearbeitet, um diesen Mini-Spektrometer in noch mehr Feldern einsetzen zu können.
 
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