In zahlreichen industriellen Prozessen wird die
Konzentration von Gasen mit Infrarot-Lasern gemessen und überwacht. Bisherige
Systeme müssen jedoch aufwendig und teuer tiefgekühlt werden. Eine neue Lasergeneration könnte die
Messtechnik
revolutionieren.
Menschen können Ammoniakgas nicht sehen, nur riechen. Doch das nur widerwillig, denn der Geruch von Salmiak
ist beißend wie in Hühnerställen.
Laser, die infrarote Strahlung aussenden, können hingegen diese Grundchemikalie
der chemischen Industrie für
Messgeräte sichtbar machen. Daher werden sie eingesetzt, um in verschiedensten
Prozessen die Konzentration von
Ammoniak und anderen Gasen online zu überwachen. In bisherigen Lasern
erzeugen Bleisalze den Infrarotstrahl. Ihr Nachteil: Sie müssen aufwendig mit teurem flüssigem
Stickstoff gekühlt
werden. Daher sind diese Systeme vergleichsweise groß und teuer. Mit der geringen Kühlleistung eines kleinen
elektrischen Peltier-Elements kommen hingegen die kompakteren Systeme mit Quantenkaskaden-Lasern aus.
»Nicht nur Ammoniak - alle möglichen Gase, die infrarote Strahlung absorbieren, können mit unseren
Laserspektrometern gemessen werden«, betont Dr. Thomas Beyer vom Fraunhofer-Institut für Physikalische
Messtechnik IPM. »Dazu zählen
Stickoxide,
Kohlenmonoxid und
Kohlenwasserstoffe. Dank der hohen Strahlleistung
der Laser lassen sie sich über größere Distanzen berührungslos
Messen.«
Das Herz des Lasers besteht aus hunderten Schichten verschiedener halbleitender Materialien. Von deren
Zusammensetzung, Dicke und Abfolge hängt es ab, auf welche spezifische Wellenlänge der Laser eingestellt ist. Erzeugt wird die infrarote
Strahlung von Elektronen, die wie ein Wasserfall in Kaskaden durch die Schichtstruktur stürzen. Diese Materialien entwickeln und fertigen
Wissenschafler des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik
IAF und des Instituts für Technische
Physik der Universität
Würzburg. Ein weiterer Partner des vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung BMBF geförderten Projekts ist eine Arbeitsgruppe
an der Technischen Universität Darmstadt, die die Eigenschaften der Laserstrahlung untersucht. Das IPM fertigt speziell an die Laser
angepasste optische Module, die zusammen mit den passenden
Detektoren in die Mess-Systeme integriert werden.
Ihre Erfahrung ermöglicht es den Fraunhofer-Forschern, komplette Systeme anzubieten und sie auf spezifische Kundenwünsche abzustimmen.
»Es ist durchaus zu erwarten,« schätzt Projektleiter Beyer optimistisch ein, »dass Quantenkaskaden-Laser in vielen industriellen
Anwendungsbereichen die Messtechnik revolutionieren werden.«