Fraunhofer CAP: Leistungsstarker, kompakter Kegelverstärker zur Erfassung lokaler Schwerkraftgradienten

Herausforderung

Die Anwender benötigen in der Regel ein praktisches und kostengünstiges Instrument zur Messung lokaler Schwerkraftgradienten mit hoher Empfindlichkeit für Anwendungen wie die Suche nach Entwässerungsöffnungen, die Ortung alter Rohrleitungen und die Erstellung von Karten zur Ölfelderschöpfung. Forscher der Abteilung für Quantentechnologie am Fraunhofer-Zentrum für Angewandte Photonik (Glasgow, Großbritannien) arbeiten derzeit gemeinsam mit dem Industriepartner Alter Technology TÜV Nord UK Ltd. daran, ein Atominterferometer als tragbare Lösung einzusetzen.

Dr. Loyd McKnight, Leiter des Geschäftsbereichs Quantentechnologie, erklärt: „Wir möchten unser Fachwissen über Lasersysteme für die Atominterferometrie nutzen, um zu zeigen, wie man tragbare Systeme entwickeln kann.“ Bei der Atominterferometrie wird durch Laserkühlung eine kleine Gruppe von ultrakalten Atomen (z. B. Rubidium) in einem Vakuumbehälter erzeugt. Diese Atome unterliegen der lokalen Schwerkraft, und indem wir ihren Zustand mit hochstabilen Lasern vorbereiten, können wir ihr Wellenverhalten für empfindliche Messungen nutzen. McKnight fügt hinzu:„Es ist eine enorme Herausforderung, diese etablierte Technologie von einem Laborphänomen in ein praktisches Feldgerät zu verwandeln.“ Er weist darauf hin, dass der Betrieb eines atomaren Interferometers einen leistungsstarken Laserstrahl im Wattbereich mit schmaler, stabiler Linienbreite sowie geringem Amplituden- und Phasenrauschen erfordert. Solche Laser sind oft komplex, teuer und sperrig – kaum die idealen Komponenten für einen tragbaren, kostengünstigen Schwerkraftsensor!

Lösung

Es gibt eine spezielle Art von Diodenlasern, die als DFB-Laser (Distributed Feedback) bezeichnet werden. Sie finden breite Anwendung in der Telekommunikation und bieten eine rauscharme Ausgangsleistung in kompakten Gehäusen. In diesem Fall können sie eine hervorragende Stabilität und Kosteneffizienz bieten, indem ihre Ausgangsleistung an eine kostengünstige Rubidiumdampfzelle „gekoppelt“ wird. Allerdings verfügen DFB-Laser mit einer Leistung von nur einigen Dutzend Milliwatt bei weitem nicht über die für diese Anwendung erforderliche Leistung.

Glücklicherweise hat das Fraunhofer CAP-Team die perfekte Lösung gefunden:die konischen VerstärkerchipsCoherent . Diese Bausteine basieren auf einem neuartigen Chipdesign, das die hohe optische Leistung kleiner Chips mit der hohen Leistung großer Chips verbindet. McKnight erklärt: „Wir können nun durch den Einsatz herkömmlicher Hauptoszillator-Leistungsverstärker (MOPA) zu kombinieren, die für unsere Gravitationssensoren erforderlichen Laserstrahleigenschaften zu erzielen. Da diese konischen Chips eine hochwertige Verstärkung bieten, ermöglicht das resultierende MOPA -Ausgang alle optischen Eigenschaften eines stabilen DFB-Oszillators beibehält, einschließlich guter Strahlqualität und schmaler Linienbreite, und gleichzeitig die von uns benötigte Leistung im Wattbereich liefert. Mit einem Hochleistungslaser, der lediglich aus zwei kleinen Diodenchips besteht, eignet sich das Ergebnis hervorragend für kompakte, tragbare Geräte mit geringem Stromverbrauch.“

Ergebnisse

Durch den Einsatz dieser Laservorrichtung gelang es dem Team,^{3 × 10⁸ Rubidiumatome} mit einer Wiederholungsfrequenz von mehr als 1 Hz zu kühlen und einzufangen, wodurch die Anforderungen des vorgeschlagenen Gravitationssensors erfüllt wurden. Derzeit arbeiten sie daran, Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme des Systems weiter zu reduzieren. McKnight fasst zusammen:„Der gleiche laserbasierte Quantenmotor kann für die trägheitsgestützte Positionsbestimmung (z. B. in Flugzeugen und U-Booten) verwendet werden, wobei seine langfristige absolute Genauigkeit der von Faserkreisel übertrifft. Wir arbeiten mit Kooperationspartnern zusammen, um diese Technologie in diesem Bereich zu demonstrieren.“

Weitere Erfolgsgeschichten anzeigen