Photonische Kristalle als MWIR-Filter eröffnen neue Anwendungsbereiche

Bandpass-Infrarotfilter mittlerer Wellenlänge (MWIR) für den Bereich 3 µm -10 µm werden in einer Vielzahl von Anwendungen wie z.B. thermische Überwachung, Gassensorik, Luft- und Raumfahrt oder Medizintechnik genutzt.
Der konventionelle Weg zur Herstellung von MWIR-Filtern ist die Mehrschichtabscheidung, entweder durch Verdampfen oder Sputtern. Die resultierenden Filter sind eindimensionale Strukturen, die aus Schichten unterschiedlicher Materialien bestehen.
Durch konstruktive und destruktive Interferenz wird der größte Teil des Spektrums blockiert und gleichzeitig die Übertragung eines schmalen Bandes ermöglicht. Im Gegensatz dazu stellt MapSi Photonics, ein Spin-Off der Universität Barcelona, Vollsiliziumfilter auf Basis photonischer Kristalle (PC) her. PCs sind künstlich strukturierte Materialien, die einzigartige optische Eigenschaften aufweisen. Insbesondere makroporöses Silizium (MpS) mit Poren-Durchmessern von mehr als 50 nm und einer regelmäßigen Struktur ist für viele Anwendungen geeignet. Dabei werden die Strukturen durch elektrochemisches Ätzen in verdünnter Flusssäure hergestellt. So lässt sich z.B. die photonische Bandlücke (PBG) leicht auf die gewünschte Wellenlänge abstimmen und eine wellenlängenselektive Filterung erreichen.
Die Filtereigenschaften liegen also im Bauteil selbst und werden nicht durch eine dünne, relativ empfindliche Schicht erzeugt. Damit sind diese Bauteile sehr abriebfest und eignen sich für Anwendungen bei sehr hohen Temperaturen und/oder Drücken. Durch die Verwendung von Silizium mit einem Transmissonsbereich von
1 µm bis etwa 10 µm ergeben sich sehr gute optische Spezifikationen (siehe Abb. 1 oben) für den gesamten MWIR-Bereich bei gleichzeitig sehr wettbewerbsfähigen Preisen.
So werden MapSi-Filter z.B. für die Detektion von Gasen eingesetzt, deren Spektren dicht beieinander liegen oder sich teilweise überlappen. Der in Abb. 1 unten auf der Titelseite dagestellte Filter ist schmal genug, um nur den P-Zweig von CO zu transmittieren und so eine Kreuzdetektion mit N2O zu vermeiden. Weitere Anwendungen finden sich in der Unterscheidung zwischen CO2 und N2O, die besonders für medizinische Anwendungen interessant ist, sowie bei NO2 und Wasserdampf zur Überwachung von umweltschädlichen Gasen in industriellen Prozessen.
Der von MapSi entwickelte Herstellungsprozess ermöglicht auch, im Gegensatz zur herkömmlichen Beschichtungstechnik, die kostengünstige Herstellung von Kleinserien oder Einzelstücken.
Dabei ist die Technik nicht auf eine Transmissionswellenlänge beschränkt. Je nach Anforderung sind z.B. auch Doppelfilter (siehe Abb. 2) möglich.
Ein weiteres Merkmal, das die Filter von MapSi Photonics einzigartig macht, ist ihre Porosität. Das heißt, sie sind durchlässig für Flüssigkeiten und maximieren das Oberflächen/Volumen-Verhältnis. Dies ist von großem Interesse im Bereich der Katalyse oder Biodetektion, wo der Einsatz der Filter bereits eine verbesserte Empfindlichkeit gegenüber herkömmlichen Geräten gezeigt hat. Ein Anwendungsbeispiel ist in Abb. 3 dargestellt. Hier fällt die Transmissionsbande des Filters mit dem Absorptionsspektrum des nachzuweisenden Moleküls zusammen. Der Filter wurde mit Markern funktionalisiert, die diese Moleküle einfangen, und mit einem  NDIR-Fotometer vermessen. Aufgrund des besseren Flächen/Volumen-Verhältnisses konnte die  Nachweisempfindlichkeit deutlich gesteigert werden!

Dies sind nur einige Beispiele für den Einsatz von MapSi-Filtern. Sicher haben Sie noch weitere Ideen. Sprechen Sie uns gerne an.

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