Handheld Raman-Optode mit integriertem Zwei-Wellenlängen-Diodenlaser bei 785 nm für in-situ SERDS

Die Raman-Spektroskopie ist eine etablierte und leistungsstarke optische Messmethode zur Stoffanalyse verschiedenster organischer und anorganischer Substanzen. Um Messungen direkt vor Ort durchführen zu können, werden portable Raman-Messgeräte  zunehmend attraktiver. Aufgrund ihrer geringen Baugröße und Leistungsaufnahme werden dabei Halbleiterlaser bevorzugt integriert und als Anregungslichtquelle eingesetzt.

Allerdings werden insbesondere bei Outdoor-Messungen die schwachen Raman-Signale häufig von Störsignalen überlagert. Das sind beispielsweise Fluoreszenzsignale von der Probe selbst, oder sie sind auf Verunreinigungen oder Umgebungslicht zurückzuführen. Eine bereits erfolgreich demonstrierte spektroskopische Technik zur Separation der Raman-Signale von Störsignalen ist die "Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy (SERDS)". Die Methode nutzt zwei generierte Raman-Spektren mit leicht unterschiedlichen Anregungswellenlängen. Zwischen den beiden Messungen werden alle anderen Messparameter inklusive der Wellenlängen-Kalibrierung des Spektrometers nicht verändert. Der Abstand zwischen diesen Wellenlängen liegt typischerweise bei der Strukturbreite der zu untersuchenden Raman-Linien und somit bei festen und flüssigen Proben bei ca. 10 cm^-1. Alle Raman-Signale folgen dieser spektralen Verschiebung der Anregungswellenlänge, und Störsignale wie z.B. Fluoreszenzsignale und Umgebungslicht bleiben von der geringen Verschiebung nahezu unberührt. Anschließend werden beide gemessenen Spektren subtrahiert und es entsteht ein "Differenz-Spektrum", in dem die Raman-Signale klar von den Störsignalen separiert sind.

Als Anregungslichtquelle für SERDS wurde hierfür am FBH ein Zwei-Wellenlängen-Diodenlaser bei 785 nm entwickelt und erfolgreich in der Anwendung demonstriert. Die monolithische Lichtquelle bietet optische Ausgangsleistungen bis 140 mW mit einer Leistungsaufnahme von 0,7 W. Die Emission zeigt hier über den gesamten Leistungsbereich einen stabilen Einmodenbetrieb mit einer spektralen Breite ≤ 11 pm (Abb. 1).

Diese kompakte und effiziente Lichtquelle wurde in eine am FBH neu entwickelte Raman-Optode [Abb. 2] als Anregungslichtquelle integriert. Das Laserlicht wird hier über optische Filter und Spiegel auf eine Messprobe – in diesem Fall ein Apfel – geführt. Das von der Probe  um 180° rückgestreute Licht wird von der Optode gesammelt. Optische Filter trennen spektral das Laserlicht von den Raman-Signalen. Über eine Glasfaser ist die Raman-Optode an ein Spektrometer angekoppelt. Experimente belegen die Eignung des mit 100 mm x 28 mm x 12 mm kompakten Sensors für die Raman-Spektroskopie. Hierbei zeigten gemessene Raman-Spektren eine spektrale Stabilität innerhalb von 0,1 cm^-1 über einen Messzeitraum von einer Stunde. Die Stabilität der Intensität in den Raman-Signalen war hier mit ± 2% hauptsächlich durch Variation der Signalhöhe des Schrotrauschens limitiert. Die Ergebnisse zeigen die Eignung dieser kompakten Optode für Raman-Untersuchungen und eröffnen mit dem Handgerät die Möglichkeit für Vor-Ort-SERDS-Messungen, z.B. zur Lebensmittelüberwachung, in der medizinischen Diagnostik oder Prozesskontrolle.

Publikationen

B. Sumpf, M. Maiwald, A. Müller, J. Fricke, P. Ressel, F. Bugge, G. Erbert and G. Tränkle, "Comparison of two concepts for dual-wavelength DBR ridge waveguide diode lasers at 785 nm suitable for shifted excitation Raman difference spectroscopy", Appl. Phys. B, vol. 120, no. 2, pp. 261-269 (2015).

M. Maiwald, B. Eppich, J. Fricke, A. Ginolas, F. Bugge, B. Sumpf, G. Erbert, G. Tränkle, "Dual-Wavelength Y-Branch Distributed Bragg Reflector Diode Laser at 785 Nanometers for Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy", Appl. Spectrosc., vol. 68, no. 8, pp. 838-843 (2014).

M. Maiwald, B. Eppich, A. Ginolas, B. Sumpf, G. Erbert, G. Tränkle, "Compact  handheld probe for Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy with implemented dual-wavelength diode laser at 785 nm", Appl. Spec., in production and scheduled for October 69[10] (2015).