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Chipbasierte photonische Gassensoren für die Sicherheitstechnik (ChipSenSiTec)

Jörg Burgmeier, Ulrike Willer, Siegfried Waldvogel, Wolfgang Schade

Um die Vorteile des chemischen Nachweises und der optischspektroskopischen Detektion von Explosivstoffen zu kombinieren, kommen neuartige Rezeptormoleküle in Kombination mit FaserBragg-Gittern(FBG) zum Einsatz. In eine kommerziell erhältliche undotierte single-mode Glasfaser können mittels leistungsstarker Femtosekundenlaserpulse Strukturen durch lokale Modifizierung des Brechungsindexes geschrieben werden, indem lokal der Brechungsindex erhöht wird. So ist die Strukturierung einer Faser mit zwei Faser-Bragg-Gittern gleicher Periodizität möglich. DerAbstand der beiden FBG bestimmt dabei das Transmissionsverhalten, da konstruktive oder destruktive Interferenz auftreten kann. Bei konstruktiver Interferenz wirken beide Gitter wie ein einziges, bei destruktiver Interferenz zeigt die Faser ein sogenanntes Stopp-Band und bei der Bragg-Wellenlänge tritt keineTransmission auf. Dieser Sachverhalt ist in Abb. 1 schematisch dargestellt.

Abb. 1: Schematische Darstellung eines auf Faser-Bragg-Gitter

Für die Sensoranwendung wird der Abstand der beiden FBG so gewählt, dass ein solches Stopp-Band gebildet wird und zwischen den beiden Gittern auf der Faseroberfläche eine Beschichtung mit Rezeptormolekülen aufgebracht werden kann. Bei Anlagerung von bzw. Komplexbildung mit Explosivstoffen, ändern die Rezeptormoleküle ihre optischen Eigenschaften, u.a. auch ihren Brechungsindex. Dies induziert eine zusätzliche Phasendifferenz, so dass die Interferenz nicht mehr vollständig destruktiv ist und einTransmissionssignal durch die Faser gemessen werden kann. Die Methode ist äußerst empfindlich, da die Lichtintensitäten gegen Null gemessen werden.

Abb. 3: Anlagerung von TNT-Molekülen auf dem Rezeptorfilm liefert

Das Schreiben der Bragg-Gitter mit Femtosekundenlaserpulsen bietet den Vorteil, dass kommerziell erhältliche Glasfasern eingesetzt werden können und nicht speziell dotierte Materialien verwendet werden müssen. Im Hinblick auf Langzeitstabilität und Temperaturunempfindlichkeit ist dies von Vorteil, da die Gitter nicht durch Diffusion an Kontrast verlieren können.

Dieses Projekt wird gefördert durch das BMBF, Fördernummer: 13N9475.

 

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