Technologie

Quantenkaskadenlaser identifiziert Gefahrgut

07.06.2019 - Tragbarer Sensor erkennt explosive, toxische oder anderweitig gefährliche Substanzen in Echtzeit.

Damit Polizei oder Feuerwehr unmittel­bar reagieren können, müssen sie bei Bomben­wahrnungen oder Anti-Drogen­einsätzen wissen, von welchen chemischen Substanzen sie umgeben sind. Üblicher­weise erfolgt die Analyse über eine Proben­entnahme, die in einem externen Labor ausgewertet wird. Mobile Messgeräte, die eine Vielzahl von Chemikalien schnell, augensicher und berührungslos über Distanzen von mehr als einem Meter identifizieren, gibt es bislang nicht. Doch im Rahmen des EU-Projekts Chequers hat das Fraunhofer-Institut für Angewandte Fest­körperphysik IAF gemeinsam mit Partnern einen tragbaren Sensor für eine berührungs­lose Detektion von Explosiv- und Gefahren­stoffen entwickelt.

„Unser Gefahren­stoffscanner erfasst einen großen Spektral­bereich in kürzester Zeit, liefert präzise Ergebnisse und kann auch von ungeschultem Personal bedient werden. Das ist an Tatorten, nach terroris­tischen Anschlägen oder nach Unfällen in Industrie­anlagen, bei denen sich Chemikalien unkontrol­liert ausbreiten, von immenser Bedeutung, um unmittelbar auf Bedrohungs­situationen reagieren zu können“, erläutert Projektleiter Stefan Hugger. Gemeinsam mit seinen Kollegen stand er vor der technischen Heraus­forderung, ein tragbares System zur berührungs­losen Erkennung von Gefahr­stoffen aus sicherer Entfernung und mit schnellen Reaktionszeiten zu realisieren. Das Ergebnis ist ein Messinstrument, das auf Infrarot-Rückstreu­spektroskopie basiert. Dafür kombinierte das Forscherteam sehr schnell und breit abstimmbare Quanten­kaskadenlaser mit angepasster Sende- und Empfangsoptik, schnellen IR-Detektoren und entsprechender Bedien- und Detektions­software.

Tragbare Sensoren für die berührungs­lose spektro­skopische Detektion setzen insbesondere eine kompakte und schnell durch­stimmbare Laser­quelle voraus. „Solche Geräte müssen die unvermeidbaren Bewegungen der Hand ausgleichen und ein aussage­kräftiges Spektrum innerhalb kürzester Zeit aufnehmen. Zusammen mit dem Fraunhofer IPMS haben wir einen minia­turisierten Quanten­kaskadenlaser mit externem Resonator entwickelt, der den gesamten Spektralbereich des QC-Laserchips innerhalb von nur einer Milli­sekunde überstreicht“, erklärt Hugger. Das Messprinzip basiert auf der spektral selektiven Beleuchtung des Zieles im Wellenlängenbereich von 1000 bis 1300 cm-1. Anhand der Intensität des diffus zurück­gestreuten Lichts und der Beleuchtungs­wellenlänge wird die chemische Substanz bestimmt. Der spektrale Finger­abdruck wird mit der integrierten Datenbank, die eine große Anzahl an im Sicherheits­bereich relevanten Substanzen enthält, abgeglichen und dadurch identifiziert. 

Der hand­gehaltene Demonstrator hat bereits eine Reihe von Testmessungen erfolgreich bestanden, welche durch das Bundes­kriminalamt in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IAF Anfang 2019 durchgeführt wurden. „Bei den Test­messungen hat der Gefahrenstoff­scanner viele Explosiv­stoffe und ihre Vorprodukte detektiert und bewiesen, dass die Tech­nologie funktioniert. Nun geht es darum, die Robustheit des Messsystems zu optimieren, damit es im täglichen Einsatz bestehen kann“, so Hugger. Seit 2015 arbeitete das Fraunhofer IAF zusammen mit den Fraunhofer-Instituten IPMS und CAP, dem Bundes­kriminalamt sowie den Firmen Vigo Systems, M Squared Lasers und Modus Research and Innovation an der Entwicklung des hand­gehaltenen Gefahren­stoffscanners. Das Projekt Chequers wurde von der Euro­päischen Union im Rahmen des Programms Horizon 2020 gefördert. 

Fh.-IAF / JOL

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