Grundlagen
Bei der Evaneszenzfeldspektroskopie wird die Wechselwirkung zwischen dem in einem Wellenleiter geführtem Licht und dem umgebenen Medium ausgenutzt.
Man spricht von evaneszenter Kopplung. Befindet sich im Bereich des evaneszenten Feldes ein absorbierendes Medium, z.B. ein Feststofffilm, ein Gas
oder eine Flüssigkeit, so erfolgt ein Abschwächung des Evaneszenten Feldes. Dieser Effekt ist unter dem Namen "Abgeschwächte Totalreflektion (ATR)"
bekannt. Hingegen werden Verluste in Folge des sich ändernden Brechungsindexes im Bereich des evaneszenten Feldes als "Frustrierte
Totalreflektion (FTR)" bezeichnet.
Die folgende Abbildung zeigt einen Evaneszenzfeldsensor auf Faserbasis in einem flüssigen Medium.
Licht, das von einem optisch dichteren Medium kommend auf eine Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium trifft, wird bei hinreichend flachem
Auftreffwinkel vollständig reflektiert. Der Effekt ist unter der Bezeichnung "Totalreflektion" bekannt. Dieser Effekt wird z.B. bei der
Lichtleitung in optischen Fasern eingesetzt, um Licht flexibel führen zu können. Bei einer optischen Faser ist ein Faserkern, der Wellenleiter,
von einem sogenannten "Cladding" mit geringerem Brechungsindex umgeben.
Theoretische Überlegungen und Experimente sehr dicht an der Grenzfläche zeigen, dass das Bild der Totalreflektion nur im zeitlichen Mittel
korrekt ist. Sehr dicht über der Oberfläche (auf der Seite mit geringerem Brechungsindex) breitet sich ein nicht-propagierendes evaneszentes
Feld aus, welches ohne äußere Störung im zeitlichen Mittel keine Energie transportiert. Die Feldstärke ist exponentiell abnehmend bei
zunehmendem Abstand von der Grenzfläche und hat näherungsweise eine Eindringtiefe in der Größenordnung der Wellenlänge der reflektierten
Strahlung.
Wird nun eine Störung im Außenraum des Wellenleiters hinzugefügt, so kann kann ein Teil der evaneszenten Welle in eine propagierende Welle
umgewandelt werden: Bei der Reflektion treten Verluste auf. Nutzt man zur Störung ein absorbierendes Medium, so kann der Effekt eingesetzt
werden, um Absorptionsspektroskopie ohne freie optische Wegstrecke durchzuführen.
Störeffekte, wie Streuung und Beamfluktuaktion werden vermieden. Bei der Evaneszenzfeldspektroskopie in Fasern wird das den Faserkern
umgebende Cladding entfernt. Der wellenleitende Faserkern dient als Sensorelement.
Anwendungen
Evaneszensfeldspektroskopie kann in flüssigen oder gasförmigen Medien die klassische Absorptionsspektroskopie ersetzen, wobei als Strahlquellen
häufig die gleichen Systeme eingesetzt werden können. Die Evaneszenzfeldspektroskopie bietet dabei gegenüber der Absorptionsspektroskopie
viele Vorteile:
- Kein Freistrahl durchs Medium
- Geringe Störeinflüsse durch Streuung
- Keine Störung durch temperaturbedingte Beamfluktuationen
- Mit Faserkopplung flexibel einsetzbar
- Kompakte Abmessungen
- Laserschutzaspekte
Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist der Einsatz von farbändernden Beschichtungen auf der Sensoroberfläche. Ein Beispiel ist ein
TNT-adsorbierender Film, der seine Absorption im grünen Spektralbereich bei Anwesenheit von TNT verstärkt. Mit derart beschichteten
Evaneszenzfeldsensoren lassen sich fasergekoppelte Gefahrstoffsensoren realisieren.
Auch fluoreszierende Beschichtungen können auf Evaneszenzfeldsensoren aufgebracht werden. Mit Anregung, z.B. im UV, variiert die Stärke der Fluoreszenz mit der Konzentration einer bestimmten Zielsubstanz. Anregung und Auslesen der Fluoreszenz erfolgen durch evaneszente Kopplung. Beispielanwendungen sind in der Biologie oder Medizintechnik (Fluoreszenzmarker, Antikörperreaktionen) zu finden.
