Mit Punkt-Gas-Sensoren lassen sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre und die Konzentration bestimmter Gase wie Methan bestimmen. Die verwendeten Glasoptiken in solchen Sensoren müssen im infraroten Spektralbereich transparent sein und über einen hohen Brechungsindex verfügen. Aufgrund seiner sehr guten Eigenschaften im Infrarot-Bereich ist Chalkogenid-Glas ein beliebtes Material für Sensor-Optiken. Es verfügt über einen recht hohen Brechungsindex, der eine gute Abbildungsleistung gewährleistet. Leider geht ein hoher Brechungsindex mit einem hohen Reflexionsgrad einher, was die Lichtdurchlässigkeit mindert und zu Übertragungsverlusten führt. Um die Reflexionen zu reduzieren, werden die Optiken normalerweise mit antireflektierenden Materialien beschichtet. Das Verfahren ist jedoch aus ökologischer und ökonomischer Sicht umstritten. Darüber hinaus wirkt jede Antireflexschicht nur für einen schmalen Wellenlängenbereich und wenige Einfallswinkel des Lichts. Da Optiken in Gas-Detektoren für verschiedene Wellenlängen und Lichteinfallswinkel durchlässig sein müssen, werden stets mehrere Antireflexionsschichten aufgetragen. Aus diesen Gründen suchte das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen nach einer umweltschonenderen, kostengünstigeren und effizienteren Alternative. Ziel im Projekt "MARS – Molded Anti-Reflex Structures“ war es, eine neuartige Prozesskette zur Fertigung von Infrarot-Optiken aus Chalkogenid-Glas für Punkt-Gas-Sensoren für das Laserspektroskopie-Verfahren zu entwickeln. Dabei erzeugen Laserdioden eine Strahlung, deren Frequenz je nach zu untersuchenden Gas angepasst wird.
Mottenaugen-Mikrostrukturen statt umweltschädlicher Beschichtung
Das Hauptaugenmerk der Forscher lag darauf, die Durchlässigkeit der Glasoptiken zu verbessern, ohne die Optikoberflächen zu beschichten. Stattdessen brachten sie Mikrostrukturen in die Oberflächen ein, wobei sie sich von der Natur inspirieren ließen: Die Augen einiger nachtaktiver Motten haben die besondere Eigenschaft, dass sich auf ihrer Oberfläche Strukturen befinden, deren Abmessungen kleiner sind als die Wellenlänge des einfallenden Lichts. Diese Strukturen bewirken einen stetigen Anstieg der Brechzahl vom Umgebungsmedium hin zum optischen Medium, wodurch die Reflexion stark verringert wird. Solche Strukturen galt es im Projekt "MARS“ in die Optikoberflächen einzubringen.
Der komplette Beitrag ist in der JOT 04/20201 erschienen.
Autor(en): Anh Tuan Vu vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
