ILLIAS

Gassensor basierend auf gegenseitig gekoppelten Injection-Locked Mittel-Infrarot Interbandkaskadenlasern (ILLIAS)

Photonische Spürnase für den Umweltschutz

Der Gasnachweis mit photonischen Verfahren ist seit langer Zeit bekannt und nutzt die Tatsache aus, dass jedes Gas Licht bestimmter Wellenlängen absorbiert. Die absorbierten Wellenlängen bilden dabei gleichsam einen spektroskopischen Fingerabdruck, mit dem sich bestimmte Gase eindeutig identifizieren lassen.

Für die Umweltanalytik ist die Identifizierung und Verfolgung bestimmter Gase besonders wichtig. So sind z.B. Stickoxide, die u.a. bei der motorischen Verbrennung von Kohlenwasserstoffverbindungen aus denen Benzin- oder Diesel bestehen, ein zunehmendes Problem, da deren gesundheitsgefährdende Wirkung seit langem bekannt ist.

Um die Emission dieser Gase in die Atmosphäre einzudämmen, müssen einerseits Quellen für die Gasemission identifiziert werden, und andererseits die Verbrennungs- und Abgasreinigungsprozesse so geregelt werden, dass die Stickoxidemissionen möglichst gering gehalten werden. Dies gilt in gleicher Weise für viele andere Gase wie Kohlenoxide, Schwefeloxide u.ä.

Obwohl die photonischen Nachweisverfahren in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht haben, sind die Verfahren immer noch sehr aufwändig und die zugehörigen Messsysteme teuer und vergleichsweise empfindlich oder ihre Messgenauigkeit reicht für den Nachweis von Spurengasen nicht aus.

Schmalbandige Interbandkaskadenlaser für die hochgenaue Spurengasdetektion

Damit Gase auch noch in sehr geringen Konzentrationen nachgewiesen werden können, müssen die Wellenlängen, die den spektroskopischen Fingerabdruck bilden, sehr genau abgetastet werden. Dies gelingt nur mit Laserstrahlquellen, die einerseits Licht bei den entsprechenden Wellenlängen ausstrahlen, und andererseits diese Wellenlängen mit einer geringen Bandbreite emittieren.

Ein Verfahren, das dafür seit Jahren eingesetzt wird, ist das sog. Injection-Seeding. Hierbei wird die Strahlung eines schmalbandigen Lasers, der dafür eine geringe Lichtleistung liefert, in einen Laser mit hoher Ausgangsleistung eingekoppelt. Laser mit hoher Ausgangsleistung bzw. hoher Verstärkung senden Licht aus, dessen Bandbreite erheblich größer ist, als das physikalische Limit.

Das liegt daran, dass diese Laser Licht auf mehreren Moden aussenden, die sich leicht in der Wellenlänge unterscheiden und damit in der Summe zu einer Vergrößerung der Bandbreite führen. Durch Einstrahlung von Laserlicht geringer Bandbreite, wird eine dieser Moden bevorzugt und der Laser emittiert mehr Leistung bei der entsprechenden Wellenlänge. In der Summe ist die emittierte Laserstrahlung schmalbandiger.

Dieses Prinzip soll nun auf eine neue Generation von Festkörperlasern – den Interbandkaskadenlasern – übertragen werden. Dieser Lasertyp zeichnet sich dadurch aus, dass die Emissionswellenlänge nicht durch das Materialsystem vorgegeben wird, sondern durch die Schichtstruktur des Lasermaterials mehr oder weniger frei gewählt werden kann.

Außerdem emittieren diese Laser Licht im mittleren Infrarotbereich, der für die Gasanalyse besonders interessant ist. Im Vergleich zu anderen Laserstrahlquellen benötigen die Interbandkaskadenlaser auch noch wesentlich weniger Strom, so dass sie ideale Kandidaten für den Einsatz in mobilen Geräten sind.

Das Konsortium, das sich im Verbundprojekt ILLIAS zusammengefunden hat, wird nun die Möglichkeiten des Injection-Seedings bei Interbandkaskadenlasern erforschen. Wenn diese Arbeiten erfolgreich abgeschlossen werden, stehen die technologischen Grundlagen für eine neue Generation hochselektiver, mobiler Laserspektroskopiesysteme zur Verfügung. Dies würde der Umwelt- und Prozessanalytik ein neues Werkzeug an die Hand geben, um Prozesse gezielt optimieren zu können, und Ursachen für die Luftverschmutzung mit gesundheitsschädlichen Gasen frühzeitig zu identifizieren.

Projektdetails

Koordinator

Prof. Dr,Wolfgang Elsässer
Technische Universität Darmstadt
, 64289Darmstadt

Projektvolumen

ca. 0,5 Mio. € (Förderquote ca. 53%)

Projektdauer

01.04.2018 - 31.03.2021

Projektpartner

Technische Universität DarmstadtDarmstadt
KNESTEL Technologie & Elektronik GmbH (assoziierter Partner)Hopferbach
Testing Research & Standards Center (TRSC), (griechischer Partner)Kantza
University of Athens (griechischer Partner)Athen