Eine Wellenlänge voraus

Herkömmliche Verfahren zur Messung von Sauerstoff verwenden elektrochemische Sensoren oder nutzen die paramagnetischen Eigenschaften von Sauerstoff. Gemeinsam ist beiden Verfahren, dass die Sensoren in direktem Kontakt mit dem zu messenden Gas stehen müssen. Dagegen bietet die Absorptionsspektroskopie die Möglichkeit, den Sauerstoffgehalt berührungslos zu bestimmen. Bei diesem Verfahren befindet sich das Gas zwischen einer Lichtquelle und einem optischen Detektor. Sowohl Lichtquelle als auch Empfänger können außerhalb des Gases liegen.

Erforderlich für dieses Verfahren ist eine spektral extrem schmalbandige Lichtquelle, die die schmalen Absorptionslinien des Sauerstoffs trifft. Dafür ist eine besondere Bauform der Halbleiterlaser, der so genannte Distributed Feedback Laser oder kurz DFB- Laser, sehr gut geeignet. Er emittiert Licht sehr schmalbandig, da ein Gitter in den Chip integriert ist. Es arbeitet als wellenlängenselektiver Spiegel im Resonator des Lasers und erzeugt so sehr stabil eine spektral schmale Emissionslinie. Bisher wurde dies vorwiegend in der optischen Nachrichtentechnik verwendet, um optische Signale über Glasfasern zu übertragen. Nun steht dieser Lasertyp auch in dem Wellenlängenbereich von 760 nm zur Verfügung, der für die Absorptionsspektroskopie von Sauerstoff geeignet ist. Eigens für diese Anwendung hat der auf diese Technologie spezialisierte Hersteller Eagleyard Photonics GmbH in Berlin leistungsstarke DFB-Laser entwickelt.

Die Emissionswellenlänge des DFB-Lasers lässt sich über die Temperatur des Lasers und den Laserstrom verändern. Ein Peltierelement, das in das Gehäuse integriert ist, kann die Lasertemperatur so beeinflussen, dass die Wellenlänge genau der gewünschten Absorptionslinie aus dem Sauerstoff-Spektrum entspricht. Diese lässt sich dann mit hoher spektraler und zeitlicher Auflösung abtasten, indem der Laserstrom moduliert wird. Wenn das System zuvor an einer Probe mit bekanntem Sauerstoffgehalt kalibriert worden ist, lässt sich aus dem gemessenen Transmissionsspektrum die Sauerstoffkonzentration direkt und mit hoher zeitlicher Auflösung ermitteln.

Ein anderer Lasertyp, der für die Absorptionsspektroskopie in Frage kommt, sind die Vertical Cavity Surface Emitting Laser, kurz VCSEL. Sie erzielen zwar nur eine um ein bis zwei Größenordnungen kleinere Ausgangsleistung und erreichen konstruktionsbedingt wegen der hohen Stromdichten im Halbleiter nicht die Stabilität eines DFB-Lasers. Dennoch sind sie eine interessante Strahlquelle für Sauerstoffdetektoren: Sie eignen sich sehr gut für Geräte im mobilen Einsatz, denn die VCSEL zeichnen sich durch ihre geringe Stromaufnahme aus.

Der generelle Vorteil der Absorptionsspektroskopie ist, dass die Komponenten – Laser und optischer Detektor – mit Halbleitertechnologie hergestellt werden können. Die Technologie ermöglicht extrem kleine Bauformen der Komponenten und erlaubt so den Bau sehr kompakter Sauerstoffdetektoren. Da im Gegensatz zu paramagnetischen Detektoren keine beweglichen Teile benötigt werden, zeichnen sich die Detektoren durch große Robustheit aus. Der vielleicht bedeutendste Vorteil der Halbleitertechnologie ist jedoch, dass hohe Stückzahlen zu niedrigen Kosten gefertigt werden können.

Damit kann die Absorptionsspektroskopie in Zukunft neue Anwendungsfelder in der Medizintechnik und darüber hinaus erschließen. Die exakte und schnelle Überwachung von Atemluft in der Anästhesie oder der Sportmedizin, aber auch die lückenlose Kontrolle von Produktionsprozessen in der pharmazeutischen Industrie sind Beispiele für neue Einsatzgebiete der Absorptionsspektroskopie.

Dr. Herwig Stange Eagleyard Photonics, Berlin