Von Lasern und Hyperschall

BMBF-Projekt NAMIL entwickelt kompakte Halbleiter für die zerstörungsfreie Materialanalyse mittels ultraschneller Akustik.

Prinzipdarstellung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers. Bild: TU Dortmund

02.03.17

BMBF-Verbundprojekt NAMIL / VDI Technologiezentrum

In der Grundlagenforschung wurde während des letzten Jahrzehnts das hohe Potential der ultraschnellen Akustik für hochpräzise Materialanalysen aufgezeigt. So fanden Untersuchungen an Nanomaterialien oder biologischen Zellen statt. Diese Methodik ist vergleichbar zum weithin bekannten Ultraschall, nur mit drastisch unterschiedlichen Betriebsparametern: Während beim Ultraschall die Schallwellen Frequenzen bis in den MHz-Bereich aufweisen, sind bei der ultraschnellen Akustik die Frequenzen bis in den THz-Bereich – eine Million-mal höher als konventionell und daher auch Hyperschall genannt – ausgedehnt.

Schwingungsfrequenzen im THz-Bereich sind in kristallinen Festkörpern bei der Bewegung der Atome im Kristallgitter zu finden. Durch die Erhöhung der Frequenzen wird die Auflösung, die man bei Materialuntersuchungen erreichen kann, dramatisch erhöht. So ist eine Untersuchung von dynamischen Prozessen bis hinab zu Zeitskalen von Billionstel Sekunden möglich im Vergleich zu Mikrosekunden beim Ultraschall. Damit einhergehend ist die Verbesserung der räumlichen Auflösung bis in den Bereich von Milliardstel Metern. Damit ließen sich dann zerstörungsfrei Materialanalysen mit bisher unerreichter Genauigkeit durchführen.

Der Verbund NAMIL zielt darauf ab, einen kompakten Chip für die Analyse von unterschiedlichen Materialien, von Kristallen bis hin zu biologischem Gewebe, mit den Methoden der ultraschnellen Akustik zu ermöglichen. Bisher blieb diese Methodik auf Forschungslabore beschränkt, da zur Erzeugung der Schallpulse voluminöse Lasersysteme eingesetzt wurden. Ultrakurze Lichtpulse, die von diesen Lasern ausgesendet wurden, beleuchten dann dünne Metallfilme, in denen die Schallpulse, die dann in die zu untersuchende Substanz eingekoppelt werden, entstehen.

Ziel von NAMIL ist es, statt der großen, teuren Laser kleine kompakte Halbleiterlaser zu entwickeln, so dass alle Komponenten für eine Materialanalyse in einen kompakten, vergleichsweise kostengünstigen Chip integriert werden können.

Halbleiterlaserdioden für die Erzeugung von Hyperschall

Bei den Halbleiterlasern wird es sich um so genannte modengekoppelte Kantenemitter handeln. Ziel ist es, diese vom Prinzip her bekannten Laser so weiterzuentwickeln, dass sie Lichtpulse hinreichend kurzer Zeitdauer bei gleichzeitig hoher Ausgangsleistung erzeugen. Wie in der oben stehenden Abbildung gezeigt, wird auf die Kante, aus der das Laserlicht austritt, der Metallfilm aufgebracht, über den die kurzen Lichtpulse in Schallpulse umgewandelt werden. Unmittelbar auf diesem Metallfilm wird das zu untersuchende Material platziert, so dass die Schallpulse durch den Kontakt in die Substanz eingekoppelt werden. Die Wirkung des Schallpulses wird dann durch einen weiteren Laserpuls, der ultimativ aus derselben Laserdiode entnommen werden soll, abgefragt.

Dieser Laserpuls kann bezüglich seines Auftreffzeitpunkts bezüglich des anderen Laserpulses variiert werden. Darüber wird die gesamte Dynamik der Bewegungen, die durch den Schallpuls in dem Untersuchungsgegenstand ausgelöst werden, aufgezeichnet und damit die Substanz im Detail untersucht. So lässt sich beispielsweise die Geschwindigkeit, mit der sich die Pulse durch die Substanz ausbreiten, vermessen. Untersucht werden soll ein breites Spektrum von Nanostrukturen bis hin zu biologischen Zellen, um das breite Anwendungsspektrum der Methodik zu unterstreichen.

Der NAMIL-Verbund ist Anfang September 2016 gestartet und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „Photonik Plus – Neue optische Basistechnologien“ über drei Jahre mit rund 500.000 Euro gefördert. Das Akronym „NAMIL“ steht für „Nano-Akusto-Mechanik mit Integriertem Laser“. Der Verbund besteht aus zwei wissenschaftlichen Partner, der Technische Universität Dortmund und der Universität Würzburg. Als industrieller Anwender ist die nanoplus GmbH eingebunden.

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Verbundprojekt NAMIL (PDF)

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