Precisie in miniatuurformaat: Nieuwe diode-laser modules voor Raman-analyse en kwantumsensoren in de ruimte

Golflengte-LED-laser

Ter gelegenheid van de vakbeurs Laser Optics presenteert het Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), onder de Funkenturm geselecteerde lasersystemen. Deze worden van 18 tot 20 maart 2014 getoond op stand 405 in hal 12. Het FBH toont onder andere een diodelaser voor Raman-spectroscopie, die afwisselend licht uitzendt op twee verschillende golflengten. Zo kan het Raman-signaal ook bij sterk storingslicht worden gemeten en wordt de detectiegrens ten opzichte van conventionele Raman-spectroscopie verbeterd. Daarnaast presenteert het instituut een diodelasermodule voor het gebruik in kwantumsensoren, die bijvoorbeeld nodig zijn voor precisietijdmeting. Het voldoet aan de hoge optische eisen voor gebruik in atoomklokken en is ongeveer 100 keer kleiner dan traditionele lasersystemen.

Het FBH is ook vertegenwoordigd op het parallel lopende wetenschappelijk-technische congres van de Optical Society of America. Bovendien presenteren de door het instituut gecoördineerde initiatieven 'Advanced UV for Life' en 'Berlin WideBaSe' op de gezamenlijke stand Berlin-Brandenburg, hal 14.1, stand 202.

Twee-golflengte diodelaser voor draagbare Raman-analyse systemen

Het FBH introduceert een nieuwe diodelaser voor SERDS (Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy). Met deze technologie kunnen veel stoffen nauwkeurig worden geanalyseerd. De bijzonderheid van de FBH-chip is dat hij afwisselend licht uitzendt op twee verschillende golflengten. Deze worden bepaald via afzonderlijk aanstuurbare secties in de laser en het rooster, die in de halfgeleiderchip zijn geïntegreerd. Hierdoor is het mogelijk om de uiterst zwakke Raman-signalen te meten, zelfs bij sterk storingslicht – zoals daglicht, kamerverlichting of fluorescerende stoffen in monsters. Wanneer een monster wordt bestraald met twee golflengten, volgen de Raman-lijnen de excitatiegolflengte, terwijl de storingsbronnen spectraal niet veranderen. Op deze manier kunnen de Raman-signalen worden onderscheiden van storingslicht. De detectiegrens kan zo meer dan een orde van grootte worden verbeterd ten opzichte van conventionele Raman-spectroscopie.

Een potentiële toepassing van de twee-golflengte diodelaser zijn miniatuur, draagbare lasersystemen voor Raman-analyse. Ze zijn geschikt voor het onderzoeken van biologische monsters zoals vlees, fruit of bladeren en kunnen ook worden gebruikt voor medische diagnostiek op de huid.

Compacte en robuuste diodelasermodules voor kwantumsensoren in de ruimte

Kwantumsensoren die op koude atomen gebaseerd zijn, worden steeds belangrijker voor diverse toepassingen, zoals precisietijdmeting, navigatie of fundamenteel-physische vraagstukken. Om dergelijke kwantumsensoren te kunnen gebruiken, is tot nu toe een volledig optisch laboratorium nodig – voor buitengebruik of zelfs ruimtevaart waren er tot nu toe geen geschikte apparaten. Sinds enkele jaren werkt het FBH aan hybride geïntegreerde, zeer robuuste diodelasermodules, waarvan de afmetingen ongeveer 50 x 25 x 15 mm³ zijn, ongeveer 100 keer kleiner dan conventionele lasersystemen. De modules integreren halfgeleiderlaserschips en micro-lenzen. Ze voldoen aan de hoge eisen qua spectrale stabiliteit en zuiverheid – de lijnenbreedte voor optische atoomklokken moet worden teruggebracht tot minder dan 1 Hz. Zo heeft het FBH onder andere lasersystemen ontwikkeld voor Bose-Einstein-condensatie en atoominterferometrie met uitgangsvermogens van 1 W. Ze hebben mechanische stresstests tot 20 gRMS en versnellingsproeven tot 50 g succesvol doorstaan.