Hightech-Spektrometer passt ins Smartphone

So sieht das Mini-Infrarot-Spektrometer aus (Foto: Pascal A. Halder, ethz.ch)
So sieht das Mini-Infrarot-Spektrometer aus (Foto: Pascal A. Halder, ethz.ch)

Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETHZ) haben ein Mini-Infrarot-Spektrometer entwickelt, das auf einen zwei Quadratzentimeter grossen Chip passt und sich damit sogar in Smartphones integrieren lässt. David Pohl und Marc Reig Escale aus der Gruppe von Rachel Grange verzichten völlig auf bewegliche Teile, wie sie in heute gebräuchlichen Spektrometern unumgänglich sind. Auch muss es nur einmal kalibriert werden.

Mit Spektrometern lassen sich chemische Substanzen analysieren, etwa der Alkoholgehalt eines Getränks oder der Reifegrad von Früchten. Dazu wird die Probe mit Infrarotlicht bestrahlt. Sie "verschluckt" einen Teil des Lichts. Der Rest wird zurückgeworfen. Dieser Strahl wird aufgeteilt, von zwei Spiegeln reflektiert und wieder zusammengeführt. Wird einer der beiden Spiegel verschoben, so entsteht durch Überlagerung ein Interferenzmuster, das charakteristisch ist für die Inhaltsstoffe der Probe.

Die ETHZ-Forscher setzen dieses Messprinzip mithilfe von Lichtwellenleitern um, deren optischer Brechungsindex sich von aussen über ein elektrisches Feld verändern lässt. "Das Variieren des Brechungsindexes hat einen ähnlichen Effekt wie das Verschieben der Spiegel", sagt Pohl. "Deshalb können wir mit dieser Anordnung das Spektrum des einfallenden Lichtes ebenfalls auflösen." Je nachdem, wie der Lichtwellenleiter beschaffen ist, kann nicht nur infrarotes, sondern auch sichtbares Licht eingesetzt werden.

Die grösste Challenge war die Tatsache, dass Lichtwellenleiter das Licht nicht nach aussen dringen lassen. Das jedoch ist nötig, um es vermessen zu können. Die Forscher brachten deshalb auf den Leitern feine Metallstrukturen an, die das Licht aus dem Leiter herauslocken. Das sei gar nicht so einfach gewesen, verdeutlicht Grange. "Es brauchte viel Arbeit im Reinraum, bis wir das Material in der gewünschten Form strukturieren konnten."

Ursprünglich ging es der Physikerin um eine Anwendung im Weltraum. Infrarotspektrometer liefern wichtige Informationen über ferne Himmelsobjekte. Idealerweise werden sie in Satelliten installiert, weil das Licht dort nicht durch die Erdatmosphäre beeinträchtigt wird. Da jedes Gramm, das ins All geschossen wird, tausende Franken kostet, ist ein Minigerät ideal für diesen Zweck - es spart massiv Geld.
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