Neuartige hochempfindliche optische Sensortechnologie für die Gasanalyse

Moderne Industrielle Fabrikation erfordert die präzise Kontrolle über die physikalischen Parameter der genutzten Prozesse, um der Forderung nach konstanter Qualität und Reproduzierbarkeit gerecht zu werden. Präzise Sensoren sind also die Grundvorraussetzung für die Erfüllung hoher Ansprüche. Eine neue universelle Sensortechnologie, welche gerade am INA entwickelt wird, bietet das Potential, diesen Ansprüchen gerecht zu werden und Türen für bisher undenkbare Anwendungen aufzustoßen. Dabei ist das Sensorkonzept universell anwendbar auf alle physikalischen Größen, die Einfluss auf die Parameter eines Laserresonators haben können. Das beinhaltet die Messung von feinsten Längenänderungen, Temperaturen, elektrischen und magnetischen Feldern sowie Gaskonzentrationen, um nur einige zu nennen.

Dieser neue optische Sensor beruht auf Halbleiterlasern, welche Aufgrund ihres speziellen Designs sehr empfindlich auf Veränderung ihrer Resonatorparameter reagieren. Die sehr geringe Größe eines typischen Halbleiterlasers eröffnet den Weg zu sehr kompakten, mechanisch stabilen und hochsensiblen Sensoren. Konkret wird durch geeignete Wahl der Laserparameter ein zweimodiges Oszillieren bei äquivalenter Amplitude der zwei Moden genutzt. Durch die hierbei zu berücksichtigende Modenkonkurrenz ist dieses System extrem empfindlich gegenüber Veränderungen im Verstärkungsprofil, welches selbst wieder abhängig von den Eigenschaften des Resonators ist.

Für Längenmessungen kann einer der Resonatorspiegel mit dem Objekt, welches es zu beobachten gilt in Verbindung gebracht werden. Räumliche Variationen haben einen unmittelbaren Einfluss auf die Eigenschaften des Resonators. Das dadurch gekippte Gleichgewicht zwischen den Moden führt zur Favorisierung einer Mode. Durch Vergleich erfolgt die Messung.

Für die Anwendung in der Gassensorik wird eine der zwei Moden exakt auf eine Absorptionslinie des zu untersuchenden Moleküls abgestimmt. Schon das Einbringen einer extrem kleinen Anzahl von Molekülen in den Resonator kann eine genügend starke lokale Veringerung der spektralen Verstärkung führen und eine charakteristische Intensitätsveränderung hervorrufen (siehe Abb. 1). Dieses erlaubt den Gewinn exakter quantitativer Informationen über die Gaskonzentration.

Es ist natürlich nicht nur wichtig zu wissen, wie viel, sondern auch exakt welches Gas vorhanden ist. Deswegen erfordert Gassensorik im speziellen nicht nur hohe Sensitivität, sondern auch eine hohe Selektivität. Jedes Gas hat seinen charakteristischen Fingerabdruck im Infraroten (IR) auf die sich das Sensorkonzept selbstverständlich anpassen lässt, so dass Unsicherheiten vernachlässigt werden können. Konventionelle spektroskopische Gassensoren haben je nach Aufbau ihre Grenzen vor allem bei der Messung geringer Gaskonzentrationen und benötigen dabei eine aufwendige Messung zum Beispiel durch Fotomultiplier und komplexe Vielfach-Reflektionszellen. Die vorgestellte Methode hingegen verwendet das relative Intensitätsrauschen (RIN), das elektronisch, nicht optisch, erfasst werden kann.