Erfolgsgeschichten unserer Kunden
Fraunhofer CAP: Leistungsstarker und kompakter Taper-Verstärker zur Erfassung lokaler Schwerkraftgradienten
Aufgabe
Es besteht ein allgemeiner Bedarf an praktischen und kostengünstigen Instrumenten zur hochsensiblen Messung lokaler Schwerkraftgradienten für Anwendungen wie die Erkennung von Senkungslöchern, die Ortung alter Rohrleitungen und die Kartierung erschöpfter Ölfelder. Forscher der Abteilung für Quantentechnologie am Fraunhofer-Zentrum für Angewandte Photonik (Glasgow, Großbritannien) arbeiten derzeit gemeinsam mit ihrem Industriepartner Alter Technology TÜV Nord UK Ltd daran, ein tragbares Interferometer als Lösung zu entwickeln.
Dr. Loyd McKnight, Leiter des Geschäftsbereichs Quantentechnologie, erklärt: „Wir möchten zeigen, dass wir unsere bewährten Lasersysteme für die Atominterferenz nutzen können, um tragbare Systeme zu entwickeln.“ Bei der Atominterferenz werden mittels Laserkühlung kleine Wolken von ultrakalten Atomen (z. B. Rubidium) in einem Vakuumbehälter erzeugt. Diese Atome unterliegen lokalen Gravitationskräften, und durch die Stabilisierung ihres Zustands mit einem hochstabilen Laser lassen sich hochsensible Messungen unter Ausnutzung ihres wellenartigen Verhaltens durchführen. McKnight fügt hinzu: „Es ist eine große Herausforderung, diese etablierte Technologie von einem Laborphänomen in ein praxistaugliches Feldgerät zu übertragen.“Außerdem weist er darauf hin, dass für den Betrieb eines Atominterferometers ein Laserstrahl erforderlich ist, der sehr gut funktioniert und unter anderem eine Leistung im Wattbereich, eine schmale, stabile Linienbreite sowie ein geringes Amplituden- und Phasenrauschen aufweist. Da diese Laser komplex, teuer und sperrig sind, sind sie keine idealen Komponenten für den Einsatz in tragbaren, kostengünstigen Schwerkraftsensoren.
Lösung
Es gibt spezielle Halbleiterlaser, die als DFB-Laser (Distributed Feedback) bezeichnet werden und in der Telekommunikation weit verbreitet sind; sie können aus einem kleinen Gehäuse rauscharmes Licht liefern. In diesem Fall lässt sich das Licht durch „Einrasten“ in eine kostengünstige Rubidiumdampfzelle aktiv und kostengünstig stabilisieren. Allerdings liefern DFB-Laser nur einige Dutzend Milliwatt und erreichen damit nicht die für diese Anwendung erforderliche Leistung.
Glücklicherweise hat das CAP-Team des Fraunhofer-Institutsmit den Taper-Verstärkerchips von Coherenteine perfekte Lösung gefunden. Diese Bausteine basieren auf einem neuen Chipdesign, das die hohe optische Leistung kleiner Chips mit der hohen Ausgangsleistung großer Chips vereint. McKnight erklärt: „DFB- und Taper-Bausteine als herkömmliche Master-Oszillator-Ausgangsverstärker (MOPA) anordnen, können wir nun die für den Schwerkraftsensor erforderliche Laserstrahlleistung erzielen. Da diese Taper-Chips eine hochwertige Verstärkung bieten, verfügt der endgültige MOPA-Ausgang über die erforderliche Leistung in Watt, während alle optischen Eigenschaften des stabilisierten DFB-Oszillators, wie gute Strahlqualität und schmale Linienbreite, erhalten bleiben. Außerdem eignet sich der aus nur zwei kleinen Halbleiterlaserchips bestehende Hochleistungslaser aufgrund seines geringen Stromverbrauchs ideal für kompakte, tragbare Aufbauten.“
Ergebnisse
Dem Forschungsteam ist es gelungen, mit dieser Laseranordnungmehr als 3 × 10⁸Rubidiumatome bei einer Wiederholungsfrequenz von über 1 Hz zu kühlen und einzufangen, womit die für den vorgeschlagenen Gravitationssensor erforderlichen Anforderungen erfüllt wurden. Derzeit arbeiten wir intensiv daran, Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme des Systems zu reduzieren. McKnight fasst zusammen: „Derselbe laserbasierte Quantenmotor kann auch zur Trägheitsnavigation in Flugzeugen und U-Booten eingesetzt werden, wobei er eine höhere langfristige Absolutgenauigkeit aufweist als Fasergyroskope. Gemeinsam mit unseren Kooperationspartnern treiben wir die praktische Erprobung dieser Technologie voran.“
„Dieser Taper-Chip ermöglicht eine hochwertige Verstärkung und eignet sich daher ideal für kompakte, tragbare Systeme mit geringem Stromverbrauch.“
— Loyd McKnight (Leiter des Geschäftsbereichs Quantentechnologie, Fraunhofer-Zentrum für Angewandte Photonik, Glasgow, Großbritannien)
Abb. 1: Der Taper-Verstärkerchip ist ein kompaktes Bauelement, mit dem sich die Ausgangsleistung steigern lässt, ohne die rauscharmen Eigenschaften des Halbleiterlasers zu beeinträchtigen.