Mini-Spektrometer ermöglicht vielfältige Anwendungen

  • Abb. 1: Prinzipaufbau des Mini-Spektrometers in einer planaren Ansicht.Abb. 1: Prinzipaufbau des Mini-Spektrometers in einer planaren Ansicht.
  • Abb. 1: Prinzipaufbau des Mini-Spektrometers in einer planaren Ansicht.
  • Abb. 2: Erster Demonstrator bei der Vermessung.

Spektrometrie: Überall dort, wo durch eine Analyse des Spektrums Informationen über die Zusammensetzung von Materie, von Blut über Lebensmittel bis hin zu Medikamenten, gewonnen werden sollen, können künftig miniaturisierte Spektrometer zum Einsatz kommen. In diesem Artikel wird ein solches Mini-Spektrometer vorgestellt, welches an der Hochschule Harz entwickelt wurde.

Die Besonderheit dabei: es kann in Spritzguss abgeformt und somit als eine kostengünstige und platzsparende Alternative zu bereits marktverfügbaren Mini-Spektrometern angeboten werden. Erste Anfragen von potentiellen Kunden aus der Wirtschaft liegen bereits vor. So könnte es etwa in der Medizintechnik zur spektralen Analyse von Körperflüssigkeiten wie Blut oder Magensäure verwendet werden oder bei der Realisierung schneller Datenübertragungssysteme helfen.

Unverhofft kommt oft
Bereits seit dem Jahr 2005 wird an der Hochschule Harz intensiv an der Entwicklung von Bauteilen für die optische Kurzstreckenkommunikation über polymeroptische Fasern (POF) geforscht. Das dem Mini-Spektrometer zugrundeliegende technische Bauteil wurde ursprünglich als Demultiplexer für die Mehrkanal-Datenübertragung mit Polymerfasern konzipiert. Es baut auf dem Funktionsprinzip des Rowland-Spektrometers auf, passt dieses allerdings an Fasern mit einer großen Numerischen Apertur an und optimiert die Energieführung. Bei ersten Funktionstests wurde festgestellt, dass das Bauteil auch als voll funktionsfähiges Mini-Spektrometer eingesetzt werden kann, wodurch sich vollkommen neue Möglichkeiten im Hinblick auf die wirtschaftliche Verwertung der Projektergebnisse ergaben.

Die nächsten Schritte sind die Weiterentwicklung des Demonstrators zu einem für die Massenproduktion geeigneten Spritzguss-Bauteil, welches als Mini-Spektrometer in mehreren Zielmärkten erfolgreich vertrieben werden kann. Hierfür müssen die gewünschten technischen Parameter des Bauteils mit potentiellen Kunden festgelegt und ggf. auch die Entwicklung mehrerer Varianten des Mini-Spektrometers (z. B.

eine Variante für die Medizintechnik und eine für industrielle Anwendungen) geprüft werden, sollte sich zeigen, dass die Anforderungen der Zielmärkte zu sehr divergieren, als dass man alle mit einem einzigen Bauteil bedienen könnte.

Spektrometer bald im Handy?
Die wesentlichen Nachteile vieler konventioneller Spektrometer bestehen in Größe und Gewicht der Geräte sowie in deren hohen Marktpreisen. Sie haben typischerweise die Größe eines gängigen PC-Gehäuses, wiegen über 10 Kilogramm und werden zu Nettopreisen von über 20.000 Euro vertrieben. Es liegt auf der Hand, dass derartige Geräte in solchen Anwendungsfeldern nicht (oder nur unter erschwerten Bedingungen) zum Einsatz kommen können, in denen geringe Größe und Gewicht und/oder eine Massenfertigung zu geringen Stückpreisen angestrebt werden. Exemplarisch für hohe Anforderungen an Leichtigkeit und Platzersparnis seien hier die Luft- und Raumfahrttechnik sowie die Automobilindustrie erwähnt, exemplarisch für die Massenfertigung zu geringen Stückpreisen sei auf die Herstellung von medizinischen Einmalprodukten verwiesen.

Die hier vorgestellte Lösung hingegen stellt ein kleines, günstiges, leichtes und dennoch leistungsfähiges Mini-Spektrometer dar, welches nicht nur in bestehenden Anwendungen etwa in Automobilen oder in der Arztpraxis einsetzbar, sondern auch vollkommen neue Anwendungsfelder wie beispielsweise die Implementierung spektrometrischer Applikationen in Smartphones ermöglichen.

Beugungsgitter hergestellt durch Spritzguss
Ein funktionsfähiger Demonstrator sowie eine Raytracing-Simulation des Bauteils liegen bereits ebenso vor wie ein erteiltes Patent und mehrere wissenschaftliche und durch Peer-Review begutachtete Publikationen zum Funktionskonzept des Bauteils. Da der Demonstrator als Bauteil für die optische Datenübertragung für Kunststofffasern konzipiert wurde, ist er beim Einsatz als Spektrometer auf den Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 650 nm ausgerichtet.

Hierfür wurde eigens ein gebalztes Gitter konstruiert, welches so optimiert wurde, dass seine Größe gerade am Rande dessen liegt, was noch mit Spritzgussverfahren herstellbar ist. Eine niedrigere Gitterkonstante würde zwar die optischen Eigenschaften verbessern, wäre aber nicht mehr kostengünstig durch Spritzguss realisierbar und somit weitgehend (bis auf teure Spezialanwendungen) marktuntauglich. Der Demonstrator wurde getestet und vermessen, wobei eine REM-Untersuchung des Gitters die berechnete Struktur bestätigen konnte. Es existieren darüber hinaus erste Überlegungen zur Weiterentwicklung sowie zur Spritzguss-Umsetzung des Bauteils.

Linseneffekt ohne Linse
Herzstück des Mini-Spektrometers ist das sogenannte Dispersionsgitter, welches dazu dient die unterschiedlichen Wellenlängen des einfallenden Lichtes räumlich zu trennen. Es wurde so konzipiert, simuliert und optimiert, dass diese Konfiguration perfekt für die optische Datenübertragung geeignet ist. Der Demonstrator ist dabei wie beschrieben schon in seinen Parametern vermessen und mit seinen Simulationsparametern verglichen worden. Das Gitter wurde mittels REM untersucht und weist die berechnete Struktur auf. Auch mittels Profilometrie konnte die berechnete Form des Gitters bestätigt werden.

Das hier vorgestellte Mini-Spektrometer weist signifikante Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik auf. Sämtliche für ein funktionsfähiges Spektrometer benötigten Funktionselemente sind in einem einzigen, kompakten Bauteil integriert. In diesem wird das einfallende Licht nicht - wie in gängigen Spektrometern - durch die Luft, sondern vielmehr durch PMMA (Brechungsindex n=1,49) und damit ein deutlich höher brechendes Material geführt. Dies hat zur Folge, dass der einfallende Lichtstrahl viel weniger aufgeweitet wird, d. h. es kommt zu einem Linseneffekt ohne Vorhandensein einer wirklichen Linse. Da das Licht durchgängig durch PMMA geführt wird, kommt es zu keinen Fresnelverlusten, was wiederum zu einer Verringerung der Einfügedämpfung und zur Optimierung der Energieführung führt. Im Gegensatz zu marktgängigen Spektrometern steht hier also ein Großteil des einfallenden Lichts wirklich für die Spektralanalyse zur Verfügung. Damit ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei diesem Spektrometer wesentlich besser als bei kommerziell erhältlichen Produkten.

Hinzu kommt, dass durch den verkleinerten Öffnungswinkel des Lichtbündels auch die Anzahl an unvermeidbaren Bildfehlern gesenkt wird, die ihrerseits das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verschlechtern würden. Dies ermöglicht die spektrometrische Detektion auch von kleinsten Stoffmengen oder Mengen an verändertem Gewebe im Rahmen von medizinischen Anwendungen. Von Vorteil in diesem Zusammenhang ist auch die Bauform des Mini-Spektrometers in Rowland-Konfiguration. Diese Bauform hat eine Besonderheit: den Rowland-Kreis. Alle Punkte, die sich auf dem Rowland-Kreis befinden, werden automatisch scharf abgebildet, in einer Ebene sogar komplett aberrationsfrei. Genau dieser Vorteil, der schon durch das Grundkonzept entsteht, führt auch zur optimalen Lichtübertragung.

Ein technisch-wirtschaftliches Alleinstellungsmerkmal ist in der Möglichkeit zu sehen, das Bauteil durch einen einzigen Spritzgussschritt herstellen zu können, ohne dass eine nachträgliche Positionierung oder Justage von Einzelkomponenten erforderlich wird. Dadurch, dass sämtliche funktionellen Komponenten des Mini-Spektrometers durch Design und Herstellungsprozess bereits optimal zueinander positioniert sind, verkürzt sich der Aufwand der Herstellung erheblich und senkt somit die Herstellungskosten. In diesem Punkt wäre dieses Mini-Spektrometer bei erfolgreicher Weiterentwicklung sämtlichen derzeit am Markt erhältlichen miniaturisierten Spektrometern technisch wie wirtschaftlich überlegen.

Zusammenfassung
Obgleich sich das hier vorgestellte Mini-Spektrometer derzeit noch auf dem Stand eines Demonstrators befindet, sind die technischen Vorteile klar erkennbar: es bietet hervorragende Leistungsparameter, eine optimale Energieführung und damit verbunden ein optimales Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei gleichzeitig genauester Auflösung. Außerdem führt die sehr kleine Bauteilgröße zu einer Platz- und Gewichtsersparnis. Dabei liegt das theoretische Auflösungsvermögen des Mini-Spektrometers bei 0,05 nm (Rayleigh-Kriterium) und übertrifft dabei die meisten marktgängigen Groß-Spektrometer. Das Spektrometer kann sehr vielseitig für verschiedene Anwendungsszenarien eingesetzt werden. Exemplarisch sind die Vorteile des Mini-Spektrometers als Demultiplexer für die optische Kommunikationstechnik dargestellt. Viele dieser Vorteile lassen sich auch auf andere Gebiete übertragen. Dabei spielt neben der Erhöhung der Datenrate in diesem hier geschilderten Fall auch oft genug die Robustheit des Mini-Spektrometers gerade im Transportwesen eine entscheidende Rolle.

Kontakt
Prof. Ulrich Fischer-Hirchert
Photonic Communications Lab, Hochschule Harz
Wernigerode

Spektroskopie klein aber fein: http://www.git-labor.de/news/aus-der-wissenschaft
Spektrometer bald im Handy: http://www.git-labor.de/news/aus-der-wissenschaft

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Hochschule Harz
Friedrichstr. 57 59
38855 Wernigerode

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