Beam combiner pro EPR spektromet

Vědci ve skupině MEL (Materials-Envi Lab) vedené profesorem Zbořilem v Centru nanotechnologií na VŠB-TUO se aktivně věnují spektroskopií elektronové paramagnetické rezonance (EPR) a jejími aplikacemi v moderních nízkorozměrných materiálech. EPR zkoumá rozdělení energií spinu nepárového elektronu v magnetickém poli a přechody mezi jednotlivými spinovými stavy vyvolané působením mikrovlnného záření. Tato metoda lze ještě vylepšit o excitaci vzorku viditelným světlem (tzv. photo-EPR), díky čemuž lze studovat například defekty v polovodičích.

Přesně takové vylepšení svého stávajícího EPR spektrometru chtěli získat i vědci z VŠB. Požadavkem bylo získat laserový zdroj, který by umožňoval excitaci pomocí 4 vytipovaných vlnových délek sahajících od červené (637 nm) až po UV (375 nm). Lasery měly být do spektrometru zavedeny optickým vláknem. Hlavním kritériem bylo dosažení homogenního osvitu s dostatečným výkonem v ploše alespoň 5x5 mm v rovině umístění vzorku.

Podobně jako u dalších nedávných realizací jsme i zde šli cestou výroby beam combineru. Použity byly diodové lasery s relativně vysokými výkony (> 100 mW pro 3 ze 4 vlnových délek), což znamenalo potřebu aktivního chlazení laserů a jejich ochranu před zpětnými odrazy. Ve shodě s předchozími realizacemi jsme beam combiner vybavili centrálním zapínáním pomocí klíčku, interlockovým konektorem a tlačítky umožňujícími individuální zapínání/vypínání laserů. Správu laserů (např. nastavení nominálního výkonu) lze provádět vzdáleně přes PC prostřednictvím připraveného USB konektoru.

Zákazník v tomto případě nepožadoval ani rychlou modulaci (pulzování) laserů ani výstup jednovidovým (SM) vláknem, a tak jedinou větší technickou výzvou byla optimalizace výstupního profilu. Vzhledem k povaze aplikace, kdy mají být ozářeny kyvety se vzorky uvnitř EPR spektrometru, bylo cílem zajistit na výstupu co nejhomogennější profil v požadované ploše. Hlavní překážkou v dosažení tohoto cíle je tvorba interferenčního obrazce na výstupu z multimodových vláken (tzv. speckle). Tento problém jsme nakonec vyřešili návrhem a výrobou vlastního “despeckleru”, tedy zařízení, které zajišťuje “rozmazání” výstupního obrazce a tím pádem jeho homogenizaci v čase. Náš despeckler funguje až do časového rozlišení na úrovni 0.1 ms (10 kHz), což potřebám zákazníka bohatě stačí, jelikož EPR měření se zpravidla odehrávají na časové škále o několik řádů pomalejší. Despeckler jsme navíc zkombinovali s pečlivým nastavením podmínek pro navázání laserů do optického vlákna, díky čemuž má profil intenzity na výstupu “top-hat” tvar spíše než běžně používaný “gauss-like” tvar. Srovnání optimalizovaného a běžného výstupu v multimodového vlákna je vidět na obrázku níže.

Parametry zařízení

• Lasery: (vlnová délka, výkon)
  • 375 nm, 70 mW
  • 422 nm, 100 mW
  • 532 nm, 150 mW
  • 637 nm, 160 mW
• Společný výstup do MM vlákna o délce 2 m
• Nominální účinnost navázání výkonu > 70% pro všechny lasery (výkon na konci vlákna / výkon na free space výstupu laseru)
• Homognizace výstupního profilu despecklerem s časovým rozlišením až 0.1 ms
• Centrální zapínání (klíček)
• Interlock