Strahlkombinator für ein EPR-Spektrometer

Die Wissenschaftler der MEL-Gruppe (Materials-Envi Lab) unter der Leitung von Professor Zbořil am Zentrum für Nanotechnologie der VŠB-TUO beschäftigen sich intensiv mit der Elektronenspinresonanzspektroskopie (EPR) und deren Anwendungen in modernen Materialien mit geringen Dimensionen. Die EPR untersucht die Energieverteilung des Spins eines ungepaarten Elektrons in einem Magnetfeld sowie die durch Mikrowellenstrahlung ausgelösten Übergänge zwischen einzelnen Spinzuständen. Diese Methode lässt sich durch die Anregung der Probe mit sichtbarem Licht (sog. Photo-EPR) noch weiter verbessern, wodurch beispielsweise Defekte in Halbleitern untersucht werden können.

Genau eine solche Erweiterung ihres bestehenden EPR-Spektrometers wollten auch die Wissenschaftler der VŠB erreichen. Die Anforderung bestand darin, eine Laserquelle zu beschaffen, die eine Anregung mit vier ausgewählten Wellenlängen im Bereich von Rot (637 nm) bis UV (375 nm) ermöglicht. Die Laser sollten über eine optische Faser in das Spektrometer eingekoppelt werden. Das Hauptkriterium war das Erreichen einer homogenen Beleuchtung mit ausreichender Leistung auf einer Fläche von mindestens 5 × 5 mm in der Ebene der Probenplatzierung.

Ähnlich wie bei anderen kürzlich durchgeführten Projekten haben wir auch hier den Weg der Eigenfertigung eines Strahlkombinators eingeschlagen. Es wurden Diodenlaser mit relativ hohen Leistungen (> 100 mW bei 3 von 4 Wellenlängen) verwendet, was eine aktive Kühlung der Laser sowie deren Schutz vor Rückreflexionen erforderlich machte. In Übereinstimmung mit früheren Realisierungen haben wir den Strahlkombinator mit einer zentralen Schaltung mittels Schlüssel, einem Interlock-Stecker und Tasten, die das individuelle Ein- und Ausschalten der Laser ermöglichen. Die Steuerung der Laser (z. B. die Einstellung der Nennleistung) kann ferngesteuert über einen PC mittels eines vorinstallierten USB-Anschlusses erfolgen.

Der Kunde wünschte in diesem Fall weder eine schnelle Modulation (Pulsierung) der Laser noch einen Ausgang über ein Single-Mode-Faser (SM), und so bestand die einzige größere technische Herausforderung in der Optimierung des Ausgangsprofils. Angesichts der Art der Anwendung, bei der die Küvetten mit Proben im Inneren des EPR-Spektrometers bestrahlt werden sollen, war es das Ziel, am Ausgang ein möglichst homogenes Profil innerhalb des gewünschten Bereichs zu gewährleisten. Das größte Hindernis bei der Erreichung dieses Ziels ist die Entstehung eines Interferenzmusters am Ausgang von Multimodefasern (sog. Speckle). Dieses Problem haben wir schließlich durch den Entwurf und die Herstellung eines eigenen „Despecklers“ gelöst, also einer Vorrichtung, die für eine „Verwischung“ des Ausgangsmusters und damit für dessen Homogenisierung über die Zeit sorgt. Unser Despeckler arbeitet bis zu einer Zeitauflösung von 0,1 ms (10 kHz), was den Anforderungen des Kunden mehr als ausreichend ist, da EPR-Messungen in der Regel auf einer um mehrere Größenordnungen langsameren Zeitskala stattfinden. Zudem haben wir den Despeckler mit einer sorgfältigen Einstellung der Bedingungen für die Kopplung der Laser in die optische Faser kombiniert, wodurch das Intensitätsprofil am Ausgang eher eine „Top-Hat“-Form Form aufweist und nicht die üblicherweise verwendete „gaussförmige“ Form. Ein Vergleich des optimierten und des herkömmlichen Ausgangs in einem Multimode-Faser ist in der Abbildung unten zu sehen.

Geräteparameter

• Laser: (Wellenlänge, Leistung)
  • 375 nm, 70 mW
  • 422 nm, 100 mW
  • 532 nm, 150 mW
  • 637 nm, 160 mW
• Gemeinsamer Ausgang in ein 2 m langes MM-Faser
• Nenn-Leistungskopplungseffizienz > 70 % für alle Laser (Leistung am Faserende / Leistung am Freiraumausgang des Lasers)
• Homogenisierung des Ausgangsprofils durch einen Despeckler mit einer Zeitauflösung von bis zu 0,1 ms
• Zentrale Einschaltung (Schlüssel)
• Interlock