Messung von Russpartikeln mit photothermischer Interferometrie

Das Institut für Sensorik und Elektronik FHNW arbeitet an einer neuen Messmethode für den Nachweis von atmosphärischen Russpartikeln.

Technologien

Photothermische Interferometrie (PTI)

Ziele

Entwicklung einer neuen Messmethode für den empfindlichen, quantitativen Nachweis von lichtabsorbierenden Spurenstoffen (wie z.B. Spurengase oder atmosphärische Russpartikel).

Ausgangslage

Atmosphärische Russpartikel entstehen vorwiegend durch Verbrennung von Biomasse und Dieselkraftstoff. Russpartikel sind für ihre negative Wirkung auf unsere Gesundheit bekannt. Sie beeinflussen zudem unser Klima, indem sie Sonnenlicht absorbieren und damit die Atmosphäre erwärmen. 

Ergebnis

Unser Ansatz besteht darin, die Russpartikel mittels so genannter photothermischer Interferometrie (PTI) zu messen und zu untersuchen. Hierbei werden die Russpartikel über ihre ausgeprägt starke Lichtabsorption nachgewiesen. Der wesentliche Unterschied zu den heutigen Standard-Messmethoden liegt darin, dass die PTI-Methode sehr empfindlich ist und kaum durch Messartefakte belastet wird, da die Messung in-situ erfolgt.

Anfänglich haben wir photothermische Interferometer mit Freistrahl-Lasern verwendet. Derzeit arbeiten wir an einer Miniaturisierung und Vereinfachung der Methode durch den Einsatz von Glasfasern und integrierten photonischen Schaltungen (PIC).

Unsere jüngste Publikation zeigt den Proof-of-Concept eines solchen miniaturisierten Interferometers, das sich u.a. dadurch auszeichnet, dass es "passiv" betrieben werden kann: Die als Strahlvereinigungsoptik verwendeten 3x3-Koppler machen es möglich, auf die Ansteuerung eines Quadraturpunktes zu verzichten.

Das Design hat das Potenzial, weiter miniaturisiert zu werden, da ein zukünftiges Interferometer auf einem zentimetergroßen Chip aufgebaut werden kann, was die derzeitige Nachweisgrenze weiter verbessern wird.

Referenzen und Unterlagen

Die Entwicklung unseres Freistrahl Interferometers: https://doi.org/10.5194/amt-13-7097-2020

Unser wellenleiterbasiertes Interferometer: https://doi.org/10.1364/ao.476868, https://doi.org/10.5281/zenodo.10077921