Strahlkombinator für ein Quantenarray

Wissenschaftler der Gruppe für synthetische Nanochemie unter der Leitung von Petr Cígler sind seit Langem erfolgreich bei der Synthese und Erforschung neuer Arten von Nanopartikeln, die oft interessante optische Eigenschaften aufweisen. Zu dieser Kategorie gehören auch Nanodiamanten, deren Herstellung die Wissenschaftler des ÚOCHB kürzlich grundlegend beschleunigt und kostengünstiger gestaltet. Ziel des Projekts war es, eine neue Messstation aufzubauen, mit der sich beobachten lässt, wie sich die Fluoreszenz von Nanodiamanten unter verschiedenen Bedingungen verändert.

Ein wesentlicher Bestandteil dieser Anlage war eine Laserquelle, die eine Anregung mittels mehrerer ausgewählter Wellenlängen über den größten Teil des sichtbaren Spektrums (405–637 nm) ermöglichen sollte. Zu den weiteren Anforderungen gehörten die Möglichkeit einer schnellen Modulation (Laserpulsierung) mit einer Anstiegsflankenlänge im Bereich von wenigen ns, die Einbindung aller Laser in ein gemeinsames polarisationserhaltendes (PM) Faserkabel sowie die Möglichkeit, auf einen zweiten Ausgang mit multimodalem (MM) Faserkabel umzuschalten. All dies bei Beibehaltung einer relativ hohen Leistung im Bereich von mehreren zehn mW pro Probe. Nicht zuletzt war der Kunde auch hinsichtlich des Platzes auf dem Labortisch eingeschränkt, auf dem die Laser aufgestellt werden sollten.

Die oben genannte Aufgabenstellung führt ziemlich direkt zu einer Lösung mit einem Strahlkombinator. Bei der Konzeption des Systems hatte der Kunde sogar nach bestehenden kommerziellen Lösungen verschiedener Laserhersteller gefragt, doch keiner von ihnen konnte alle Anforderungen erfüllen und gleichzeitig das Budget des Kunden einhalten. So kam eine maßgeschneiderte Lösung aus dem Hause OptiXs zum Einsatz. Das Herzstück des Strahlkombinators bilden OBIS-Laser der Firma Coherent – konkret die Wellenlängen 405, 514, 561 und 637 nm. Bei deren Integration mussten jedoch einige technische Herausforderungen bewältigt werden. So ist beispielsweise eine schnelle Modulation bei der Wellenlänge von 561 nm nicht möglich, da es kein geeignetes aktives Medium gibt, das direkt in diesem Bereich emittiert (sogenannter „Green Gap“). Unser Strahlkombinator hat dieses Problem durch den Einbau eines schnellen akusto-optischen Modulators in den Strahlengang dieses Lasers gelöst. Äußerlich (aus Sicht des Anwenders) funktioniert die Lasersteuerung letztendlich genauso wie bei den anderen „Direct-Diode“-Lasern im System – es reicht aus, ein TTL-Signal an den entsprechenden SMA-Anschluss auf der Rückseite des Geräts anzulegen.

Eine potenzielle Komplikation stellten auch die relativ hohen Laserleistungen dar – z. B. 140 mW für den blauen (405 nm) Laser. Das Einkoppeln einer derart hohen Leistung in eine Einmodenfaser (SM oder PM) kann sehr leicht zum Verbrennen der Faserendfläche führen. Daher mussten wir diese mit einem entsprechend ausgelegten Schutz (sogenannten Endkappen) versehen. Außerdem mussten wir der aktiven Kühlung der Laser besondere Aufmerksamkeit widmen, um eine Destabilisierung des Strahls durch Erwärmung zu vermeiden.

Der Strahlkombinator ist mit einer zentralen Ein-/Ausschaltvorrichtung (Schlüssel), einer Verriegelung und Tasten ausgestattet, mit denen die Laser einzeln ein- und ausgeschaltet werden können. Über einen manuellen Schieber kann zwischen dem Ausgang in ein PM- und ein MM-Faser umgeschaltet werden. Neben SMA-Steckern für die externe Steuerung (Modulation) der Laser steht auch ein USB-Anschluss zur Verfügung, der die Fernverwaltung der Laser über die Software „Coherent Connection“ ermöglicht. Obwohl der Strahlkombinator letztendlich direkt auf dem optischen Tisch platziert wird, ermöglicht seine Konstruktion auch eine vertikale Anordnung (z. B. die Wandmontage).

Der Strahlkombinator hat den Wissenschaftlern am ÚOCHB sofort den gewünschten Dienst erwiesen, wie auch dieser Bericht des Tschechischen Fernsehens belegt: Wissenschaft 24 – Nanomaterialien verändern die Welt.

Geräteparameter

• 4x Coherent OBIS-Laser
  • LX 405 nm, 140 mW
  • LX 514 nm, 40 mW
  • LS 561 nm, 150 mW
  • LX 637 nm, 140 mW
• Gemeinsamer Ausgang, wahlweise über PM- oder MM-Faser (jeweils 2 m lang)
• Nenn-Kopplungswirkungsgrad in PM-Fasern bei allen Lasern > 50 % (Leistung am Faserausgang / Leistung direkt vom Laser)
• Digitale Modulation aller Laser mittels eines externen TTL-Signals
• Zentrale Einschaltung (Schlüssel)
• Interlock