A lézerchip-től a rendszerig – Ferdinand-Braun-Institut a Laser World of Photonics-on

Kvantumfény modul az optikai koherenciatomográfia (OCT) vagy spektroszkópiás mérésekhez a MIR tartományban, „észleletlen fotonok” segítségével. © FBH/Schurian.com / Kvantumfény modul az optikai koherenciatomográfia (OCT) vagy spektroszkópiás mérésekhez a MIR tartományban, „észleletlen fotonok” segítségével. © FBH/Schurian.com

Magas áramú nanosekundumos lézertáp egy integrált bordás hullámvezető lézerdiódával LiDAR-alkalmazásokhoz. © FBH/P. Immerz / High current nanosecond laser driver with integrated ridge-waveguide laser diode for LiDAR applications. © FBH/P. Immerz

A müncheni szakkiállításon a Ferdinand-Braun-Institut ismét bemutatja átfogó szakértelmét a diódalézeres technológia területén – a tervezéstől és chipfejlesztéstől egészen a kész modulokig és prototípusokig. Több mint 20 előadással a kísérő CLEO Europe-konferencián (2025.06.23. - 27.) mélyebb betekintést nyújtanak a legújabb kutatási és fejlesztési eredményekbe.

Újra bemutatja a Ferdinand-Braun-Institut, a Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), a Münchenben megrendezett Laser World of Photonics kiállításon 2025. június 24-27. között, átfogó fotonikai kínálatát. A Berlin-Brandenburg közös standnál, A2.117 csarnokban az FBH testreszabott félvezető lézerchipeket, diódalézereket és modulokat mutat be, amelyek alkalmazásokhoz készülnek az űrkutatásban, kommunikációban, orvostechnikában, anyagmegmunkálásban és kvantumtechnológiákban. A berlini intézet bemutatja az új típusú kvantumfény- és LiDAR-modulokat, valamint a nagy teljesítményű „Samba” direkt-diódalézer rendszert az additív gyártáshoz. Szintén ismertetésre kerül a 3D nyomtatott technikai kerámia alkalmazása kompakt kvantumszenzor rendszerekben, amelyeket a jövőben az űrben kívánnak alkalmazni.

A kvantumtechnológiákhoz kapcsolódó kulcsfontosságú komponenseket az FBH párhuzamosan mutatja be a World of Quantum kiállításon, az A1.240-es csarnokban, a Mikroelektronika Németország Kutatógyár (FMD) standjánál.

Kvantumfényforrások – szűkített fotonok az orvoslásban és az élet tudományában

A Ferdinand-Braun-Institut kvantumfényforrásokat fejlesztett ki, amelyek az orvoslásban a rák korai diagnosztizálására használhatók. A hyperspektrális képalkotáshoz, amelyben szövetmintákat vizsgálnak, az intézet egyedi, nagy teljesítményű diódalézereket alkalmaz, amelyek 720 nm-es hullámhosszon sugároznak. Egy nemlineáris kristályban szűkített fotonpárokat hoznak létre középső és közeli infravörös tartományban (MIR és NIR), amelyeket interferenciára és képalkotáshoz használnak. Az innovatív „mérés detektálatlan fotonokkal” módszerrel a mintát MIR-fotonokkal pásztázzák, a mérési információkat a NIR-fotonok detektálásával szerzik be. Ezzel a kvantumképalkotási módszerrel csak azok a fotonok alkotnak képet, amelyek nem lépnek kölcsönhatásba a tárggyal. Ez lehetővé teszi a diagnosztikát olcsóbb NIR tartományban, és nem igényel drága fényforrásokat vagy érzékelő rendszereket, amelyek alacsonyabb hatékonyságúak a MIR tartományban. A meglévő megoldásokhoz képest a BMFTR támogatásával fejlesztett QEED-projektek rendszerei jelentősen csökkentik a mérési időt, így fontos szerepet játszanak a gyors rákdiagnosztikában.

Erőteljes pulzáló nanomásodperces lézerforrások ToF-LiDAR-hez

Az FBH bemutatja a rácsstabilizált diódalézereket, amelyek több aktív zónával rendelkeznek, és a nanomásodperces pulzushasználatra fejlesztettek Time-of-Flight (ToF) LiDAR rendszerekben. Ezek például az autóipari távolságméréshez használatosak. A bordázott hullámvezető lézerek közepes tartományban, magas teljesítménnyel és jó laterális sugárminőséggel működnek, több mint 20 W kimeneti teljesítményt és mindössze M² 3-as laterális sugárterjedési arányt érnek el. A széles sávú diódalézerek esetében az FBH akár 200 µm széles csíkokat és 420 W pulzusszintű teljesítményt valósít meg. Ez lehetővé teszi a kimeneti teljesítmény maximalizálását nagy távolságok méréséhez. A mérési távolság növelése érdekében 48-emitteres lézercsíkokat fejlesztettek ki, amelyek 50 µm-es csíkszélességgel több mint 2000 W pulzusszintű teljesítményt tesznek lehetővé. A lézert egy saját fejlesztésű meghajtó elektronikával, mikrooptikákkal és hőmérséklet-szabályozással mikro-összeszerelhető egy zárható pillangóházas tokba. Egy Plug-and-Play demonstrátor lehetővé teszi a könnyű hőmenedzsmentet és az elektromos összeköttetést a pillangó modulok között egy PC-vezérelt grafikus felületen keresztül. A működtetéshez csak egyetlen egyenáramú tápegység szükséges.

Magas teljesítményű diódalézerek lézerfúzióhoz, additív gyártáshoz és Power Beaminghez

A FBH magas teljesítményű diódalézerei kulcsfontosságú komponensek, amelyek lehetővé teszik különböző alkalmazások megvalósítását. Ide tartozik például az energia kinyerése inertial fusion energy (IFE) révén, az additív gyártás (AM), valamint a űrtechnológiás Power Beaming – az irányított elektromágneses sugárzás révén történő hatékony vezeték nélküli energiaátvitel nagyobb távolságokra. Ezeknek a lézerkomponenseknek a jövőbeli alkalmazásait három előadással mutatja be az intézet a CLEO Europe-on. Például a standnál a FBH bemutatja a SAMBA direkt lézer rendszerét, amely kilowattos teljesítménnyel rendelkezik az alumínium additív gyártásához. A prototípust a Photon Laser Manufacturing és a SKDK projektpartnerek már alaposan tesztelik. Emellett bemutatják a Földön kívüli Power Beaminghez fejlesztett egymodális lézerek eredményeit, amelyeket a glasgow-i egyetemmel együttműködve fejlesztettek ki. A projektkoordinátor a TRUMPF bemutatja a jövőbeli IFE rendszerekhez fejlesztett nagy teljesítményű pumpálós lézerek fejlesztését, amelyekhez az FBH hatékony, rácsstabilizált multi-junction lézercsíksorokat fog fejleszteni és biztosítani.

3D nyomtatás kerámiából kompakt és robusztus kvantumszenzorokhoz

Az FBH korszerű infrastruktúrával rendelkezik különféle anyagok 3D nyomtatásához igényes alkalmazásokhoz. Egy FBH csapat beszámol az első alkalomról, amikor litográfián alapuló 3D nyomtatott technikai kerámiát (alumínium-oxidot) alkalmaztak kompakt kvantumszenzor rendszerekben. Az innovatív technológia lehetővé teszi összetett alkatrészek gyártását miniaturizált rendszerekhez, kiváló mechanikai stabilitással és alacsony súllyal. Rövid gyártási ciklusok teszik lehetővé az agilis fejlesztést és a skálázható gyártást. Tovább tervezik a topológiai optimalizációval és a felületek közvetlen metallizálásával történő funkcionális bővítést, valamint további anyagok, például cirkónium-oxid és alumínium-nitrid nyomtatását. A nyomtatási eljárás eredményeként optikai frekvencia referenciát hoztak létre, amely rubídium lézer spektroszkópián alapul. Az optikai komponenseket rendkívül precíz hibrid mikrointegrációval helyezték el a nyomtatott kerámia alapon, majd egy robusztus teljes rendszerbe szerelték. Ez ideális a lézerstabilizációhoz kvantumtechnológiai alkalmazásokban. Egyidejűleg a térfogat (7 ml) és a tömeg (15 g) jelentősen csökkent a laboratóriumi felállásokhoz képest. Az intézet által kifejlesztett ultra-stabil, miniaturizált optikai rendszerekkel kombinálva ez a megközelítés lehetővé teszi robusztus és hordozható kvantumszenzorok kialakítását.

Egyedülálló know-how chiptechnológiában és -fejlesztésben

Az FBH a nemzetközileg vezető kutatóintézetek közé tartozik a gallium-arzenid (GaAs) alapú diódalézerek chiptervezése és gyártása terén. Két előadásban mutatja be a legújabb kutatási eredményeket a fotonikai integráció területén. Ide tartozik egy új típusú GaAs-alapú fotonikai integrált áramkör (PIC) platform, amely on-chip erősítést és passzív, lapos- és mélyen gravírozott hullámvezetőket tartalmaz. Ez adja az alapot gyűrűrezonátorral összekapcsolt lézerekhez, amelyek akár 14 mW-t sugároznak körülbelül 1050 nm-es hullámhosszon. Emellett az FBH bemutatja a heterogén, transzfernyomással integrálható GaAs-erősítő chipleteket passzív szilícium-nitrid hullámvezető platformokon, 890 nm-es emissziós hullámhosszal. Ezek az eredmények a jövőben az APECS-projektben is megjelennek, amelyet a Mikroelektronika Németország Kutatógyár (FMD) valósít meg az EU Chips Act keretében. Az FBH-nál GaAs-alapú lézerek és erősítő chipletek integrálása történik passzív szilícium-nitrid hullámvezető platformokra.