PORTFOLIO

Das Projektziel bestand in der Entwicklung eines einfachen Infrarot-Laserspektrometers für den Spurengasnachweis von Schadstoffen wie NOx, N2O (Lachgas), CO2 oder CO. Zu diesem Zweck wurden einerseits neuartige optisch gepumpte Bleisalz-Infrarotemitter entwickelt und andererseits verschiedene empfindliche Nachweisverfahren implementiert und mit Hilfe einer breit abstimmbaren Differenzfrequenzlaserquelle experimentell verglichen.

Die Gebert Rüf Stiftung unterstützte das Projekt als exemplarisches Beispiel eines innovativen und anwendungsorientieren Forschungsprojektes von hoher Qualität. Das Projekt ordnet sich dem von der Gebert Rüf Stiftung fokussierten Förderbereich der präkompetitiven anwendungsorientierten Forschung zu.

Das Projekt wurde in Zusammenarbeit der Gruppe für Dünnschichtphysik (PD Dr. H. Zogg) und dem Laboratorium für Laserspektroskopie und Umweltanalytik (Prof. Dr. M. Sigrist) vom Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich durchgeführt.
In der Gruppe Dünnschichtphysik wurden neuartige optisch-gepumpte Bleisalz-Emitter (Laser sowie bei Raumtemperatur (RT) arbeitende RCLED (resonant cavity light emitting devices)) auf der Basis von PbEuTe mit Emissionswellenlängen um 4-5.5 um entwickelt und eingehend charakterisiert. Für die Laser lag das Hauptaugenmerk auf einer Erhöhung der Betriebstemperatur, es wurden Pulsspitzenleistungen bis 200 mW, Quantenausbeuten von 40% (beide Spiegel) und Betriebstemperaturen bis -35 Grad Celsius erreicht. Die monochromatisches Licht emittierenden RCLED (Halbwertsbreite wenige %) funktionieren problemlos bei Raumtemperatur, allerdings mit Leistungen z.Z. weit unterhalb 1 mW.
Im Laboratorium für Laserspektroskopie wurden mit einer weiterentwickelten Laserquelle auf der Basis der Differenzfrequenzerzeugung zwischen einem Pumplaser (Nd:YAG) und einem Signallaser (abstimmbarer Diodenlaser) in einem nichtlinear-optischen Kristall (periodisch gepoltes LiNbO3 (PPLN)), Absorptionsspektren von Gasen im 3-4 um-Bereich aufgenommen. Drei unterschiedliche Verfahren, nämlich Multipass-Transmission, Photoakustik und Cavity ringdown Spektroskopie wurden erstmals bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit untersucht und verglichen. Daraus konnten wertvolle Vergleiche der Vor- und Nachteile dieser Methoden gewonnen werden, nicht zuletzt auch für den späteren Einsatz in Feldstudien.
In einer zusätzlichen Studie wurden an der Technischen Universität Wien in situ Spurengasmessungen mit einer dort entwickelten abstimmbaren Infrarot-Festkörperlaserquelle und unserer photoakustischen Gasmessszelle durchgeführt.

Klaus Kellermann, Karim Alchalabi, Dmitri Zimin, Hans Zogg, "Optically pumped mid-infrared lasers on Si-substrates", Spectrochimica Acta A, in print (Proc. TDLS-2003, Tunable Diode Laser Spectroscopy conference, Zermatt, CH, 14-18 July 2003)
Klaus Kellermann, Dmitri Zimin, Karim Alchalabi, Philippe Gasser, N.A. Pikhtin, Hans Zogg, "Optically pumped lead-chalcogenide mid-infrared lasers on Si-substrates", J. Appl. Phys. 94, Dec. 2003, pp.7053-7058.
Klaus Kellermann, Dmitri Zimin, Karim Alchalabi, Philippe Gasser, Hans Zogg, "Optically pumped lead-chalcogenide infrared emitters on Si-substrates", Physica E 20, 536-539, 2004
K. Kellermann, D. Zimin, K. Alchalabi, N.A. Pikhtin, H. Zogg , "Optically pumped lead-chalcogenide IR-emitters", IEE Proceedings - Optoelectronics, 150, 2003, 337-339
C. Fischer, E. Wettstein and M.W. Sigrist, "Accurate Spectroscopic Determination of the Wavelength of Pulsed Lasers", Appl. Phys. B 73, 233-237 (2001)
C. Fischer, Q. Yu, M. Seiter and M.W. Sigrist, "Photoacoustic Monitoring of Trace Gases using a Diode-Based Difference Frequency Laser Source", Opt. Lett. 26, 1609-1611 (2001)
C. Fischer and M.W. Sigrist, "Trace Gas Sensing in the 3.3 micrometer Region using a Diode-based Difference Frequency Laser Photoacoustic System", Appl. Phys. B 75, 305-310 (2002)
M.W. Sigrist, "Trace Gas Monitoring by Laser Photoacoustic Spectroscopy and Related Techniques", Rev. Sci. Instrum. 74, 486-490 (2003)
C. Fischer and M.W. Sigrist, “Mid-IR Difference Frequency Generation”, in Solid-State Mid-Infrared Laser Sources, ed. I. T. Sorokina and K.L. Vodopyanov, Topics in Appl. Phys., Vol. 89, (Springer, 2003), pp. 97-140.
M.W. Sigrist, “Laser-based Gas Sensing”, Proc. Internat. Workshop on Detecting Environmental, Industrial & Bio-medical Signals, Bari (Italy), ed. M. De Palma, P. M. Lugar, S. Nuzzo and L. Torsi, World Scientific Publ. Corp. (2003), in print
C. Fischer, M.W. Sigrist, E. Sorokin and I.T. Sorokina, “Photoacoustic Monitoring of Gases using a Novel Lsaer Source Tunable around 2.5 microns”
Opt. & Lasers in Eng. (2003), submitted

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