Od układu laserowego do systemu – Ferdinand-Braun-Institut na Laser World of Photonics

Moduł światła kwantowego do optycznej tomografii koherentnej (OCT) lub pomiarów spektroskopowych w zakresie MIR za pomocą „niezidentyfikowanych fotonów”. © FBH/Schurian.com / Moduł światła kwantowego do optycznej tomografii koherentnej (OCT) lub pomiarów spektroskopowych w zakresie MIR z użyciem „niezidentyfikowanych fotonów”. © FBH/Schurian.com

Wysokoprądowy nanosekundowy układ napędowy laserowy z zintegrowanym diodą laserową z falowodem grzbietowym do zastosowań LiDAR. © FBH/P. Immerz / High current nanosecond laser driver with integrated ridge-waveguide laser diode for LiDAR applications. © FBH/P. Immerz

Na targach w Monachium Ferdinand-Braun-Institut ponownie demonstruje swoje wszechstronne doświadczenie w dziedzinie diod laserowych – od projektowania i rozwoju układów scalonych po gotowe do użytku moduły i prototypy. Ponad 20 referatów na towarzyszącej konferencji CLEO Europe (23 - 27.06.2025) zapewnia pogłębione wglądy w najnowsze wyniki badań i rozwoju.

Ponownie Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), prezentuje na targach Laser World of Photonics w Monachium w dniach 24 - 27 czerwca 2025 roku swoje wszechstronne spektrum osiągnięć w dziedzinie fotoniki. Na wspólnym stoisku w Berlinie-Brandenburg, hala A2.117, FBH prezentuje dopasowane do potrzeb układy scalone z laserami półprzewodnikowymi, diodowe lasery i moduły do zastosowań w przestrzeni kosmicznej, komunikacji, medycynie, obróbce materiałów i technologiach kwantowych. Instytut z Berlina przedstawia nowatorskie moduły kwantowego światła i LiDAR, a także wydajny system laserowy typu Direct-Diode „Samba” do druku addytywnego. Zaprezentowane zostaną również zastosowania technicznej ceramiki drukowanej w 3D w kompaktowych systemach sensorów kwantowych, które mają być wykorzystywane w przyszłości w przestrzeni kosmicznej.

Wybrane kluczowe komponenty dla technologii kwantowych prezentuje równocześnie FBH na targach World of Quantum w hali A1.240, przy stoisku Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD).

Źródła światła kwantowego – skręcone fotony dla medycyny i nauk o życiu

Ferdinand-Braun-Institut opracowało źródła światła kwantowego, które mogą być wykorzystywane w medycynie do wczesnej diagnostyki raka. Do hyperspektralnej obrazowania, służącej do badania próbek tkanek, FBH wykorzystuje unikalne wysokowydajne lasery diodowe emitujące przy długości fali 720 nm. W nieliniowym kryształach generowane są sparowane fotony skręcone w zakresie średnim i bliskim podczerwieni (MIR i NIR), które są wykorzystywane do interferencji i obrazowania. Dzięki innowacyjnej metodzie „pomiaru za pomocą nie wykrytych fotonów” próbka jest skanowana MIR-Photonami, a informacje pomiarowe uzyskuje się przez detekcję NIR-Photonów. W tym tzw. kwantowym obrazowaniu obraz jest tworzony tylko z fotonów, które nie oddziałują z obiektem. Umożliwia to diagnostykę w tańszym zakresie NIR i nie wymaga kosztownych źródeł światła i systemów detekcyjnych o mniejszej wydajności w zakresie MIR. W porównaniu z istniejącymi rozwiązaniami systemy opracowane w ramach projektu QEED finansowanego przez BMFTR znacząco skracają czas pomiaru, stanowiąc ważny krok w kierunku szybkiej diagnostyki nowotworów.

Wydajne pulsujące źródła laserowe nanosekundowe do ToF-LiDAR

FBH prezentuje stabilizowane siatką diody laserowe z wieloma aktywnymi obszarami, opracowane do pracy w trybie impulsowym nanosekundowym w systemach ToF-LiDAR. Są one wykorzystywane na przykład do pomiaru odległości w motoryzacji. Laserowe diody z falowodami grzebieniowymi, przeznaczone do skanowania w średnim zakresie przy wysokich mocach i dobrej jakości promieniowania bocznego, dostarczają ponad 20 W mocy wyjściowej i współczynnik propagacji promienia bocznego M² wynoszący zaledwie 3. Natomiast laserowe diody szerokopasmowe FBH realizuje z paskami o szerokości do 200 µm i mocą impulsową do 420 W. Pozwala to na maksymalizację mocy wyjściowej do skanowania na dużym zasięgu. Aby zwiększyć zasięg skanowania, opracowano 48-emiterowe belki laserowe z paskami o szerokości 50 µm, umożliwiające impulsową moc ponad 2000 W. Laser może być zintegrowany z własnoręcznie opracowaną elektroniką sterującą, mikrooptyką i układami termicznymi w zamkniętej obudowie typu butterfly. Za pomocą demonstratora typu plug-and-play możliwa jest prostota zarządzania termicznego i elektrycznego modułów butterfly za pomocą graficznego interfejsu sterowanego z komputera. Do uruchomienia wystarczy jedna zasilacz DC.

Wydajne diody laserowe do fuzji laserowej, druku addytywnego i przesyłu energii

Wydajne diody laserowe z FBH są kluczowymi komponentami umożliwiającymi różne zastosowania. Należą do nich m.in. pozyskiwanie energii poprzez termojądrową fuzję (IFE), druk addytywny (AM) oraz zdalny przesył energii w przestrzeni kosmicznej – efektywny bezprzewodowy przesył energii na duże odległości za pomocą skierowanego promieniowania elektromagnetycznego. Potencjał tych komponentów laserowych dla przyszłych zastosowań potwierdza instytut w trzech referatach na konferencji CLEO Europe. Przykładowo, FBH prezentuje na swoim stoisku system laserowy SAMBA z bezpośrednim laserem o mocy kilowatów do druku addytywnego aluminium. Prototyp jest już poddawany szerokim testom przez partnerów projektu Photon Laser Manufacturing i SKDK. Ponadto FBH przedstawia wyniki demonstracji pojedynczodiodowych laserów do zdalnego przesyłu energii w przestrzeni kosmicznej, powstałych we współpracy z Uniwersytetem w Glasgow. Koordynator projektu TRUMPF prezentuje rozwój mocnych laserów pompujących do przyszłych systemów IFE, dla których FBH będzie rozwijać i dostarczać wydajne, stabilizowane siatką wielojunctionowe belki laserowe kilowatowej klasy.

Druk 3D ceramiki dla kompaktowych i wytrzymałych sensorów kwantowych

FBH dysponuje zaawansowaną infrastrukturą do druku 3D różnych materiałów do wymagających zastosowań. Zespół instytutu informuje o po raz pierwszy o wykorzystaniu litograficznej technologii druku 3D technicznej ceramiki (aluminium tlenku) w kompaktowych systemach kwantowych. Innowacyjna technologia pozwala na produkcję skomplikowanych elementów do miniaturowych systemów o doskonałej stabilności mechanicznej i niskiej masie. Krótkie cykle produkcyjne umożliwiają zwinne rozwijanie i skalowalną produkcję. Planowane jest dalsze funkcjonalizowanie poprzez optymalizację topologiczną oraz bezpośrednią metalizację powierzchni i druk 3D kolejnych materiałów (zirkonowe, aluminiowe azotki). W ramach tej technologii zrealizowano optyczną referencję częstotliwości opartą na spektroskopii laserowej rubidu. Komponenty optyczne zostały precyzyjnie umieszczone na drukowanych ceramicznych podłożach za pomocą hybrydowej mikrointegracji i następnie zintegrowane w wytrzymały system całościowy. Idealnie nadaje się on do stabilizacji laserów w zastosowaniach kwantowych. Jednocześnie zmniejszono objętość (7 ml) i masę (15 g) w porównaniu do laboratoriów. W połączeniu z opracowanymi w instytucie ultra-stabilnymi, miniaturowymi systemami optycznymi do manipulacji atomami, ten podejście otwiera drogę do wytrzymałych i mobilnych sensorów kwantowych.

Unikalna wiedza w zakresie technologii i rozwoju układów scalonych

FBH jest jednym z wiodących na świecie ośrodków badawczych w dziedzinie projektowania i produkcji laserów diodowych na bazie arsenku galu (GaAs). W dwóch referatach instytut przedstawia najnowsze wyniki badań w zakresie integracji fotonicznej. Należą do nich nowatorska platforma fotoniczna GaAs z wbudowanym wzmacniaczem na chipie oraz pasywne, płaskie i głęboko wycięte falowody. Stanowią one podstawę dla laserów z rezonatorami pierścieniowymi, emitujących do 14 mW przy długości fali około 1050 nm. Ponadto FBH prezentuje heterogeniczne chipy z wzmacniaczami GaAs, które można zintegrować na platformach pasywnych falowodów z azotku glinu (AlN) z emisją o długości fali 890 nm. Wyniki te będą również wykorzystywane w przyszłości w linii pilotażowej APECS, realizowanej przez Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) w ramach EU Chips Act. Na FBH planuje się integrację laserów i chipów wzmacniaczy na bazie GaAs z pasywnymi platformami falowodów z azotku glinu (Si3N4).