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Das Fraunhofer IAF hat ein teilautomatisiertes Fertigungsverfahren für resonant durchstimmbare Quantenkaskadenlasermodule (MOEMS-EC-QCLs) entwickelt. Diese Lasertechnologie zeichnet sich durch eine sehr breite und extrem schnelle spektrale Durchstimmbarkeit aus, was Echtzeitspektroskopie und Inline-Messsysteme in verschiedenen Branchen ermöglicht. Das Verfahren beschleunigt und vergünstigt die Herstellung der Module wesentlich. Vom 24. bis 27. Juni 2025 stellt das Fraunhofer IAF das Verfahren anhand eines Mehrkernsystems bei der Laser World of Photonics in München vor (Halle A3, Stand 431).
Resonant durchstimmbare Quantenkaskadenlaser (QCL) sind hochperformante Laserlichtquellen für verschiedenste Spektroskopie-Anwendungen im mittleren Infrarot (MIR). Sie ermöglichen durch hohe Brillanz minimale Messzeiten für präzisere und effizientere Charakterisierungsverfahren und können beispielsweise in der Chemie- und Pharmaindustrie, der Medizin oder der Sicherheitstechnik zum Einsatz kommen. Bislang ist die Herstellung von QCL-Modulen aber vergleichsweise aufwändig und teuer.
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF hat daher ein teilautomatisiertes Verfahren entwickelt, das die Fertigung von QCL-Modulen mit einem MOEMS-Gitterscanner (mikro-opto-elektro-mechanisches System) in einem externen optischen Resonator (external cavity, EC) deutlich vereinfacht und damit kosteneffizienter und für die Industrie attraktiver macht. Die MOEMS-EC-QCL-Technologie hat das Fraunhofer IAF gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS entwickelt.
Inline-Messungen in industriellen Prozessen
»Das Marktpotenzial von MOEMS-EC-QCLs ist enorm. Die hohe Brillanz in Kombination mit der spektralen Durchstimmbarkeit aufgrund des Einsatzes von MOEMS-Beugungsgittern ermöglicht die Weiterentwicklung von Messverfahren basierend auf FTIR-Spektroskopie und ihren Einsatz für Inline-Messtechnik«, erklärt Dr. Marko Härtelt, Leiter der Gruppe Lasermesstechnik am Fraunhofer IAF.
»Nun konnten wir die Technologie auch hinsichtlich Kosten und Verfügbarkeit auf ein industrietaugliches Niveau heben: zum einen indem wir die Herstellung von MOEMS-EC-QCL-Modulen auf eine teilautomatisierte Fertigungsbasis gestellt haben; zum andern durch einen skalierbaren Ansatz zur Kopplung von Modulen mit komplementären Spektralbereichen. Letzteres reduziert die Variantenvielfalt an Modulen zum Abdecken des kompletten MIR-Bereichs von 4 bis 11 µm deutlich, wodurch die notwendigen Skaleneffekte erreicht werden«, betont Härtelt.
Teilautomatisierte Herstellung von Quantenkaskadenlasern
Einen breiten Einsatz von MOEMS-EC-QCLs verhindern vor allem die hohen Herstellungskosten: Bislang war es nur möglich, die Module von Hand aufzubauen, da sie aktiv justiert werden mussten. Das entwickelte Verfahren automatisiert den Aufbauprozess von MOEMS-EC-QCLs in wesentlichen Teilen mithilfe eines Pick-and-Place-Systems, wodurch die Herstellungskosten signifikant sinken.
Zudem hat das Fraunhofer IAF eine flexible und skalierbare Methode für die effiziente Kombination mehrerer Laserquellen zu einem Multikernsystem entwickelt. Einzelne QCL-Module verfügen nur über eine begrenzte spektrale Breite. Kombiniert man Module mit supplementären Spektralbereichen, können anwendungsspezifische Mehrkernsysteme konfiguriert werden, die effektive spektrale Messgeschwindigkeiten von mehr als 1 Mio. Wellenzahlen pro Sekunde erreichen können.
Die Vorteile der QCL-Technologie sollen durch die effizienteren Aufbau- und Kombinationsverfahren insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) erstmals in der Breite zur Verfügung gestellt werden.
Vorteile und Anwendungsgebiete von MOEMS-EC-QCLs
MOEMS-EC-QCLs zeichnen sich durch eine breite spektrale Abstimmbarkeit im mittleren Infraroten Wellenlängenbereich zwischen 4 und 11 µm sowie durch eine hohe spektrale Brillanz aus. Sie eignen sich für verschiedenste Spektroskopie-Methoden (Transmissions-, Rückstreu-, ATR-, Mikrofluidik-, Point-of-Interest-Spektroskopie) und erlauben die Aufnahme von kompletten Infrarotspektren in nur 1 ms.
Entsprechend vielseitig sind auch die potenziellen Anwendungsfelder von MOEMS-EC-QCLs: Zum Einsatz kommen können sie beispielsweise in der Halbleitermesstechnik zur Bestimmung von Epitaxie-Schichtdicken oder deren Zusammensetzung, in der Prozessanalytik zur Optimierung von chemischen Reaktionen, in der Prozesskontrolle zur Prüfung von Beschichtungen, in der Sicherheitstechnik zur Detektion von Gefahrstoffen oder Rauschmitteln und in der Pharmaindustrie zur Qualitätssicherung.
Multikernsystem auf der Laser World of Photonics 2025
Zur Demonstration der neu entwickelten Herstellungs- und Kombinationsverfahren von MOEMS-EC-QCL-Modulen stellt das Fraunhofer IAF auf der diesjährigen Laser World of Photonics vom 24. bis 27. Juni in München ein Multikernsystem vor, das insgesamt vier teilautomatisiert gefertigte MOEMS-EC-QCL-Module sowie dazugehörige Peripherie umfasst. Ausgestellt wird es zusammen mit weiteren Highlights aus dem Geschäftsfeld Optoelektronik am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle A3, Stand 431.
BMFTR-Projekt AIRLAMet
Die Ergebnisse entstanden im Rahmen des vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderten Projekts AIRLAMet (»Elektro-optisches Messsystem zur in-line Produktionskontrolle in der Chipfertigung«). Darin arbeiten die Verbundpartner Fraunhofer IAF, Fraunhofer IPMS und die Sacher Lasertechnik GmbH unter Koordination der sentronics metrology GmbH an einem Gerät für die Messung der Dicke und Zusammensetzung dünner funktionaler Schichten in der Halbleiterproduktion. Die Bereitstellung einer hochperformanten und zugleich kostengünstigen Laser-Lichtquelle für das Messsystem markiert einen ersten Meilenstein auf dem Weg zum Projektziel.
Über das Fraunhofer IAF
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist eine der weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf den Gebieten der III/V-Halbleiter und des synthetischen Diamanten. Auf Basis dieser Materialien entwickelt das Fraunhofer IAF Bauelemente für zukunftsweisende Technologien, wie elektronische Schaltungen für innovative Kommunikations- und Mobilitätslösungen, Lasersysteme für die spektroskopische Echtzeit-Sensorik, neuartige Hardware-Komponenten für Quantencomputer sowie Quantensensoren für industrielle Anwendungen. Mit seinen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten deckt das Freiburger Forschungsinstitut die gesamte Wertschöpfungskette ab – angefangen bei der Materialforschung über Design und Prozessierung bis hin zur Realisierung von Modulen, Systemen und Demonstratoren. https://www.iaf.fraunhofer.de/
https://www.iaf.fraunhofer.de/de/kunden/optoelektronik.html – Mehr zur Optoelektronik am Fraunhofer IAF
https://www.iaf.fraunhofer.de/de/kunden/messdienstleistungen/laser-applikationsl... – Applikationslabor für Laser-Spektroskopie
https://www.iaf.fraunhofer.de/de/veranstaltungen/laser-messe.html – Fraunhofer IAF auf der Laser World of Photonics
Das Fraunhofer IAF hat eine flexible Methode für die effiziente Kombination mehrerer MOEMS-EC-QCL-Mo ...
© Fraunhofer IAF
Multikernsystem des Fraunhofer IAF mit vier teilautomatisiert gefertigten MOEMS-EC-QCL-Modulen
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Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Studierende, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler
Elektrotechnik, Maschinenbau, Physik / Astronomie
überregional
Forschungs- / Wissenstransfer, Forschungsprojekte
Deutsch
Das Fraunhofer IAF hat eine flexible Methode für die effiziente Kombination mehrerer MOEMS-EC-QCL-Mo ...
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Multikernsystem des Fraunhofer IAF mit vier teilautomatisiert gefertigten MOEMS-EC-QCL-Modulen
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