Grundlagen der QCL-Mikroskopie
Was ist ein QCL (Quantenkaskadenlaser)?
Kurz gesagt handelt es sich bei einem QCL um einen abstimmbaren Laser im mittleren Infrarotbereich – doch sehen wir uns das etwas genauer an.
Ein Quantenkaskadenlaser ist ein heterogener Diodenlaser. Wie bei jedem Diodenlaser wird Strahlung durch das Anlegen einer elektrischen Spannung erzeugt. Im Gegensatz zu einem klassischen, homogenen Diodenlaser, der nur eine einzige Wellenlänge emittiert, kann ein QCL Licht in einem ganzen Bereich von Wellenlängen im mittleren bis fernen Infrarot erzeugen.
Um das zu ermöglichen, wird der QCL in eine sogenannte externe Resonatoranordnung („external cavity“) integriert, in der die emittierte Wellenlänge durch das Kippen eines Gitters selektiert werden kann. Dieser Vorgang wird als „Tuning“ (Abstimmung) bezeichnet.
In einem QCL werden unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten präzise übereinandergeschichtet, um die Laserdiode zu formen. Obwohl jede einzelne Schicht nur wenige Nanometer dick ist, erreicht die gesamte Länge der Laserdiodenstruktur mehrere Millimeter.
Abhängig von der Dicke und Zusammensetzung der jeweiligen Schichten kann ein solcher "Stapel" an Schichten entweder eine aktive Zone („active region“) oder einen dotierten Elektroneninjektor bilden. Typischerweise besteht ein QCL aus einer Abfolge von Paaren aus aktiven Zonen und Injektoren.
Wie kann man den spektralen Bereich eines QCL auswählen?
Grundsätzlich nutzt die QCL-Spektroskopie die Tatsache aus, dass Quantenteilchen (z. B. Elektronen) in einem Potentialtopf nur diskrete Zustände einnehmen können. Diese Potentialtöpfe – und damit auch die Energieniveaus der Quantenzustände – lassen sich durch das Design der einzelnen Schichten der heterogenen Halbleiterstruktur eines QCL gezielt festlegen.
Durch die gezielte Gestaltung der aktiven Zonen eines QCL kann daher definiert werden, welche Wellenlänge bei einem elektronischen Übergang emittiert wird.
Soll ein QCL für spektroskopische Anwendungen in einem breiten spektralen Bereich eingesetzt werden, muss das Design der aktiven Regionen entsprechend angepasst werden.
Ein Beispiel dafür sind sogenannte „bound-to-continuum“-Designs, bei denen ein Elektron aus einem gebundenen Zustand in ein Quasikontinuum übergeht – dabei entsteht ein quasi-kontinuierliches Spektrum von Photonen über einen weiten Infrarotbereich.
Wird ein solcher QCL zusätzlich in eine externe Resonatoranordnung (external cavity) integriert, lässt sich die Emissionswellenlänge flexibel auswählen – innerhalb des durch die aktiven Zonen definierten Spektrums. Dadurch entsteht eine abstimmbarer Lichtquelle im mittleren Infrarotbereich.
Wie erzeugt ein Quantenkaskadenlaser (QCL) Photonen
In einem Quantenkaskadenlaser (QCL) wird die Strahlung nicht durch die klassische Rekombination eines Elektrons aus dem Leitungsband mit einem Loch im Valenzband erzeugt.
Stattdessen beginnt – bei Anlegen einer geeigneten Vorspannung – der Elektronenfluss im Leitungsband des Halbleiters zu „kaskadieren“, also stufenweise durch die Abfolge von aktiven Zonen und Injektoren zu laufen.
In jeder aktiven Zone führt ein Elektron einen Laserübergang durch und erzeugt dabei ein Photon im mittleren Infrarotbereich.
Da sich die Elektronen auch nach einem Übergang weiterhin im Leitungsband befinden, kann jedes Elektron mehrere Photonen erzeugen – eines pro aktiver Zone im QCL.
In den letzten Jahren hat sich die mittlere Ausgangsleistung abstimmbarer QCLs deutlich erhöht, und auch der zugängliche spektrale Bereich wurde erheblich erweitert.
Diese Leistungssteigerungen beruhen im Wesentlichen auf verbesserten quantenmechanischen Berechnungen, die die Energieniveaus der Elektronen in aktiven Zonen und Injektoren präziser beschreiben.
Der Unterschied zwischen QCL- und FT-IR-Spektroskopie
Um zu verstehen, warum Quantenkaskadenlaser (QCLs) der Infrarotspektroskopie völlig neue Möglichkeiten eröffnen, muss man zunächst einen Blick auf den bisherigen Goldstandard – die FT-IR-Spektroskopie – werfen. Dabei ist zu beachten, dass QCLs sich grundlegend von den konventionellen thermischen Strahlungsquellen unterscheiden, die in FT-IR-Systemen verwendet werden.
Eine klassische thermische IR-Quelle emittiert Photonen über einen breiten Spektralbereich. Die Folge: Die Photonenzahl pro Wellenlänge ist relativ gering. Deshalb müssen die Detektoren in der FT-IR-Spektroskopie besonders empfindlich sein.
Gerade in der Mikroskopie ist das oft mit erheblichem technischen Aufwand verbunden – beispielsweise der Kühlung mit flüssigem Stickstoff. Zudem müssen die Detektoren sehr schnell sein, um die Interferogramme im FT-IR-Spektrometer korrekt aufzuzeichnen.
Ein QCL hingegen emittiert nahezu alle Photonen auf einer einzelnen, eng begrenzten Wellenlänge. Dadurch ist die spektrale Leistungsdichte eines QCLs um mehrere Größenordnungen höher als die einer thermischen Quelle.
Diese quasi-monochromatische Emission erlaubt den Einsatz von relativ langsamen, ungekühlten Detektoren, die für klassische FT-IR-Systeme nicht geeignet wären.
In Kombination mit einem QCL lässt sich jedoch der volle Dynamikbereich solcher Detektoren ausschöpfen – und das bei der Detektion einzelner Wellenlängen mit hervorragendem Signal-Rausch-Verhältnis.
Damit kommen wir zurück zur Ausgangsfrage:
Warum also QCLs für die Spektroskopie verwenden?
Das verbesserte Signal-Rausch-Verhältnis ist sicher ein großer Vorteil. Noch entscheidender ist aber, dass ein QCL-basiertes Mikroskop nicht für jeden Bildpunkt ein vollständiges IR-Spektrum aufnehmen muss – im Gegensatz zur FT-IR-Mikroskopie.
Gerade in Anwendungen wie der Echtzeit-Infrarotbildgebung ist das ein enormer Effizienzvorteil: QCL-basierte Systeme arbeiten hier deutlich schneller und zielgerichteter als ihre FT-IR-basierten Gegenstücke.
Was ist ein QCL oder IR Laser Mikroskop
Wie bei einem konventionellen FT-IR-Mikroskop ermöglicht auch ein QCL-IR-Mikroskop die chemische Bildgebung mikroskopischer Proben, indem ortsaufgelöste spektrale Informationen erfasst werden.
Im Unterschied dazu muss jedoch nicht an jedem Messpunkt ein vollständiges IR-Spektrum aufgenommen werden. Stattdessen kann man sich auf einen bestimmten spektralen Bereich konzentrieren, was die Bildaufnahmegeschwindigkeit um etwa eine Größenordnung erhöht.
Kurz gesagt:
Ein QCL-IR-Bildgebungsmikroskop entsteht, wenn man die breitbandige thermische Standardlichtquelle und das Spektrometer eines FT-IR-Systems durch einen Quantenkaskadenlaser ersetzt – und die typischerweise mit flüssigem Stickstoff gekühlten FPA-Detektoren eines FT-IR-Mikroskops durch eine Mikrobolometer-Arraykamera bei Raumtemperatur austauscht.
Manche QCL IR Mikroskope sind etwas besonderes
IR-Bilder einer Testprobe zur Veranschaulichung von Kohärenzartefakten.
Links: Starke native Kohärenz führt zu ringförmigen Artefakten um die Testpartikel.
Rechts: Durch hardwarebasierte Kohärenzreduktion entstehen artefaktfreie, hochqualitative IR-Bilder.
Die Widefield-Konfiguration ist eine von mehreren Bauarten eines QCL-Mikroskops. Bei diesem Aufbau wird eine größere Probenfläche gleichzeitig ausgeleuchtet, und die transmittierte oder reflektierte Strahlung wird anschließend mit einem Mikrobolometer-Array detektiert.
Dank der hohen spektralen Leistungsdichte von QCL-Quellen ist es möglich, Infrarotbilder mit Videobildraten aufzunehmen.
Natürlich bringt die Integration der QCL-Technologie in ein IR-Mikroskop auch gewisse technische Herausforderungen mit sich. An erster Stelle steht dabei die kohärente Natur der Laserquelle, die zu sogenannten Kohärenzartefakten führt. Diese Streifen- und Specklemuster in IR-Bildern und Spektren gelten allgemein als störend für die chemische Bildgebung.
Tatsächlich ist es nicht trivial, die chemischen Informationen der Probe von den physikalischen Effekten der kohärenten Streuung zu trennen – insbesondere, wenn die Phasenbeziehungen der Photonen ins Spiel kommen.
Bruker hat dieses Problem – und weitere – mit der Technologie IR Laser Imaging ( ILIM ) gelöst. Damit ist es nun möglich, in jedem Messmodus hochwertige, kohärenzartefaktfreie chemische IR-Bilder zu erzeugen.
Die Vorteile der QCL IR Technologie:
Die FT-IR-Mikrospektroskopie kann durch die QCL-basierte IR-Mikroskopie erheblich erweitert werden – vor allem aufgrund der komplementären Eigenschaften beider Verfahren.
Zwar decken moderne QCLs bereits große Teile des spektralen Fingerprint-Bereichs ab, jedoch ist das gesamte mittlere Infrarotspektrum derzeit noch nicht vollständig zugänglich.
Gerade hier zeigt sich eine der Stärken der FT-IR-Technologie: Ihr natürlicher Vorteil liegt in der breiten spektralen Abdeckung, während die Erweiterung des spektralen Bereichs bei QCL-Systemen mit deutlich höheren Kosten verbunden ist.
Umgekehrt besteht der zentrale Nachteil der FT-IR-Mikroskopie in der begrenzten Aufnahmegeschwindigkeit – ein Problem, das bei QCL-basierten Widefield-Systemen nicht auftritt.
Durch die Kombination beider Technologien lassen sich die jeweiligen Schwächen ausgleichen und die Stärken bündeln, um die Gesamteffizienz der Infrarotspektroskopie zu steigern.
Genau deshalb ist es wichtig, dass Wissenschaftler FT-IR- und QCL-basierte Methoden unter realen Bedingungen vergleichen. Nur so lassen sich bewährte IR-Anwendungen nachhaltig übertragen und weiterentwickeln.
Ebenso entscheidend ist es, neue QCL-Verfahren mithilfe der FT-IR-Technologie zu validieren, um deren Zuverlässigkeit und Robustheit zu sichern.
Das bringt QCL IR Mikroskopie
- Reduzierte Messzeit durch Fokussierung auf einen spezifischen Spektralbereich (z. B. ein einzelnes Absorptionsmaximum)
Echtzeit-Infrarotbildgebung bei einer einzelnen Wellenlänge
(mit Videobildraten)Echtzeit-ROI-Auswahl basierend auf chemischen Daten statt nur visuellen Merkmalen
Ultraschnelle Erstellung großer IR-Übersichtsaufnahmen
mit hohem chemischen Kontrast
Grenzen von QCL-IR
Der spektrale Bereich ist im Vergleich zur FT-IR eingeschränkt
(es ist nur der mittlere Infrarotbereich zugänglich)Die hochleistungsfähige IR-Laserstrahlung kann für Augen und Haut gefährlich sein. Aus diesem Grund hat Bruker ein Lasergehäuse der Klasse 1 mit Sicherheitsverriegelungen entwickelt, das den Anwender zuverlässig vor schädlicher Laserstrahlung schützt.
Erklärt in 5 minuten: QCL-IR Laser Mikroskopie
Häufig gestellte Fragen zur QCL-IR-Spektroskopie
Was ist ein Laser?
Ein Laser ist ein Gerät, das kohärente Strahlung durch stimulierte Emission erzeugt.
(LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
Wofür steht QCL?
QCL steht für Quantenkaskadenlaser (Quantum Cascade Laser).
Was ist ein Quantenkaskadenlaser?
Ein QCL ist ein heterogener Diodenlaser, der Strahlung in einem variablen Wellenlängenbereich des mittleren Infrarots (MIR) erzeugen kann.
Wozu dienen QCLs?
QCLs werden als Infrarotstrahlungsquellen in der IR-Spektroskopie eingesetzt. Solche QCL-IR-Instrumente benötigen kein Interferometer, haben jedoch einen eingeschränkten spektralen Bereich.
Was ist ein QCL-IR-Mikroskop?
Ein QCL-IR-Mikroskop dient der chemischen Bildgebung mikroskopischer Proben. Dabei wird für jedes Pixel ein IR-Spektrum aufgenommen, um die räumliche Verteilung chemischer Komponenten sichtbar zu machen.
Was versteht man unter QCL-IR-Bildgebung?
Bei der QCL-IR-Bildgebung kommt ein Mikroskop mit Widefield-Optik zum Einsatz. Ein Mikrobolometer-Array nimmt vollständige IR-Bilder der Probe in Video-Bildrate auf – das ermöglicht eine sehr schnelle Datenerfassung.
Ist QCL besser als FT-IR?
Das hängt ganz von der jeweiligen Anwendung ab:
QCL bietet hohe Bildgebungsgeschwindigkeit bei eingeschränktem Spektralbereich.
FT-IR deckt den gesamten MIR-Bereich ab, ist aber langsamer.
Beide Methoden haben ihre eigenen Stärken und Grenzen.
Wo werden QCLs eingesetzt?
QCLs finden Anwendung in:
QCL-IR-Mikroskopen,
Spektrometern,
sowie in Systemen zur Spurengasanalyse.
Kann man FT-IR und QCL kombinieren?
Ja. Bruker bietet mit dem HYPERION II ein Instrument an, das beide Technologien nahtlos integriert. So können die jeweiligen Vorteile genutzt und Limitierungen vermieden werden.