Beam combiner pro kvantovou sestavu

Vědci ze skupiny syntetické nanochemie vedené Petrem Cíglerem jsou dlouhodobě úspěšní v syntéze a studiu nových typů nanočástic, často se zajímavými optickými vlastnostmi. Do této kategorie spadají i nanodiamanty, jejichž výrobu vědci z ÚOCHB nedávno zásadně zrychlili a zlevnili. Cílem projektu bylo sestavit novou měřící stanici, která by umožňovala sledovat, jak se za různých podmínek mění fluorescence nanodiamantů.

Zásadní součástí této sestavy byl laserový zdroj, který by umožňoval excitaci pomocí několika vytipovaných vlnových délek ve většině rozsahu viditelného spektra (405 - 637 nm). Mezi další požadavky patřila možnost rychlé modulace (pulzování laserů) s délkou náběžné hrany v řádu jednotek ns, navázání všech laserů do společného vlákna zachovávajícího polarizaci (PM) a možnost přepínání na druhý výstup s multimodovým (MM) vláknem. To vše při zachování relativně vysokého výkonu v řádu desítek mW na vzorku. V neposlední řadě byl zákazník omezený i z hlediska prostoru na stole, kam měly být lasery umístěny.

Výše uvedené zadání vede vcelku přímočaře na řešení pomocí beam combineru. Zákazník při návrhu sestavy dokonce poptával existující komerční řešení od několika výrobců laserů, ale žádný z nich nedokázal vyhovět všem požadavkům a zároveň se vejít do zákazníkova rozpočtu. Na řadu tak přišlo zákaznické řešení z dílny OptiXs. Srdcem beam combineru se staly lasery OBIS od firmy Coherent - konkrétně vlnové délky 405, 514, 561 a 637 nm. Při jejich integraci bylo ale potřeba vyřešit několik technických výzev. Například rychlá modulace na vlnové délce 561 nm je s ohledem na neexistenci vhodného aktivního média emitujícího přímo v této oblasti (tzv. “green gap”) nedostupná. Náš beam combiner toto řešil vložením rychlého akusto-optického modulátoru do dráhy tohoto laseru. Navenek (z uživatelského hlediska) přitom nakonec řízení laseru funguje stejně jako u ostatních “direct diode” laserů v sestavě - stačí přivést TTL signál na příslušný SMA konektor na zadním panelu přístroje.

Potenciální komplikaci představovaly i poměrně vysoké výkony laserů - např. 140 mW pro modrý (405 nm) laser. Navazování takto vysokého výkonu do jednovidového (SM nebo PM) vlákna může velmi snadno vést ke spálení čela vlákna. To jsme tak museli opatřit vhodně navrženou ochranou (tzv. end-capy). Pozornost jsme museli věnovat i aktivnímu chlazení laserů tak, aby nedocházelo k destabilizaci svazku vlivem zahřívání.

Beam combiner je vybaven centrálním zapínáním (klíčkem), interlockem a tlačítky umožňujícími zapínat/vypínat lasery jednotlivě. Manuálním táhlem lze přepínat mezi výstupem do PM a MM vlákna. Kromě SMA konektorů pro externí řízení (modulaci) laserů je k dispozici také USB umožňující vzdálenou správu laserů přes software Coherent Connection. Ačkoliv je beam combiner nakonec umístěn přímo na optickém stole, jeho konstrukce umožňuje i vertikální usazení (např. zavěšení na stěnu).

Beam combiner začal vědcům na ÚOCHB ihned sloužit dle jejich představ, o čemž svědčí i tato reporáž České televize: Věda 24 – Nanomateriály mění svět.

Parametry zařízení

• 4x laser Coherent OBIS
  • LX 405 nm, 140 mW
  • LX 514 nm, 40 mW
  • LS 561 nm, 150 mW
  • LX 637 nm, 140 mW
• Společný výstup volitelný mezi PM a MM vláknem (každé o délce 2 m)
• Nominální účinnost navázání do PM vlákna u všech laserů > 50% (výkon na výstupu z vlákna / výkon přímo z laseru)
• Digitální modulace všech laserů pomocí externího TTL signálu
• Centrální zapínání (klíček)
• Interlock