Kompaktes Infrarotspektrometer

Mobiltelefone können fast alles. Mit diesen Geräten lässt sich vielleicht sogar der Alkoholgehalt eines Bieres oder der Reifegrad einer Frucht feststellen. Die heute für chemische Analysen verwendeten Infrarot-Spektrometer wiegen in der Regel mehrere Kilogramm und lassen sich nur schwer in ein Handgerät integrieren.

Entwickelt wurde ein etwa 2 Quadratzentimeter großer Chip, mit dem Infrarotlicht ähnlich wie mit einem herkömmlichen Spektrometer analysiert werden kann, das das einfallende Licht in zwei Pfade aufteilt, bevor es von zwei Spiegeln reflektiert wird. Die reflektierten Lichtstrahlen werden rekombiniert und mit einem Photodetektor gemessen. Durch die Bewegung eines der Spiegel entsteht ein Interferenzmuster, mit dem sich der Anteil unterschiedlicher Wellenlängen im eingehenden Signal bestimmen lässt. Da chemische Substanzen charakteristische Lücken im Infrarotspektrum erzeugen, können Wissenschaftler anhand der resultierenden Muster erkennen, welche Substanzen in welcher Konzentration in der Testprobe vorkommen.

Dasselbe Prinzip steckt hinter dem neuen Mini-Spektrometer; Beim neuen Gerät wird das einfallende Licht jedoch nicht mehr mit Hilfe von beweglichen Spiegeln analysiert. Stattdessen werden spezielle Wellenleiter verwendet, deren optischer Brechungsindex extern über ein elektrisches Feld eingestellt werden kann. Die Variation des Brechungsindex hat einen ähnlichen Effekt wie das Bewegen der Spiegel und ermöglicht auf die gleiche Weise eine Streuung des Spektrums des einfallenden Lichts.

Je nachdem, wie der Wellenleiter konfiguriert ist, können die Forscher unterschiedliche Teile des Lichtspektrums untersuchen. Im Gegensatz zu anderen integrierten Spektrometern, die nur einen schmalen Bereich des Lichtspektrums abdecken können, kann das neue Gerät problemlos einen breiten Ausschnitt des Spektrums analysieren. Das Spektrometer muss nur einmal kalibriert werden, im Vergleich zu herkömmlichen Geräten, die wiederholt neu kalibriert werden müssen, und da es keine beweglichen Teile enthält, ist es weniger wartungsintensiv.

Die Forscher verwendeten ein Material, das auch als Modulator in der Telekommunikationsindustrie verwendet wird. Dieses Material hat viele positive Eigenschaften, aber als Wellenleiter hält es das Licht im Inneren fest. Dies ist alles andere als ideal, da eine Messung nur möglich ist, wenn ein Teil des geführten Lichts austreten kann. Aus diesem Grund befestigten die Forscher filigrane Metallstrukturen an den Wellenleitern, die das Licht nach außen streuen.