Fraunhofer CAP: Kompakte Hochleistungs-Trapezverstärker zur Erfassung lokaler Schwerkraftgradienten

Die Herausforderung

Es besteht ein universeller Bedarf an einem praktischen und wirtschaftlichen Instrument zur Messung lokaler Schwerkraftgradienten mit hoher Empfindlichkeit für Anwendungen wie das Auffinden von Erdfällen, die Lokalisierung alter Pipelines und die Kartierung der Erschöpfung von Ölfeldern. Forscher des Geschäftsfeldes Quantentechnologien am Fraunhofer Center for Applied Photonics (Glasgow, UK) arbeiten derzeit in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Alter Technology TÜV Nord UK Ltd. an der Verwendung von Atominterferometern als tragbare Lösung.

Dr. Loyd McKnight ist Leiter des Geschäftsbereichs Quantentechnologien und erklärt: „Wir wollen unser Fachwissen über Lasersysteme für die Atominterferometrie einsetzen, um zu zeigen, wie ein tragbares System geschaffen werden kann.“ Bei der Atominterferometrie wird eine kleine Wolke superkalter Atome (z. B. Rubidium) in einem Vakuumbehälter durch Laserkühlung erzeugt. Diese Atome werden von der lokalen Schwerkraft beeinflusst, und indem wir ihre Zustände mit ultrastabilen Lasern präparieren, können wir ihr wellenförmiges Verhalten für empfindliche Messungen nutzen. McKnight fügt hinzu: „Diese etablierte Technik von einem Laborphänomen zu einem praktischen Feldinstrument zu machen, ist eine große Herausforderung.“ Er stellt fest, dass der Betrieb des Atominterferometers sehr gut funktionierende Laserstrahlen mit Watt Leistung, schmalen stabilen Linienbreiten und geringem Amplituden- und Phasenrauschen erfordert. Diese Laser können komplex, teuer und sperrig sein – kaum die idealen Komponenten für einen tragbaren, kostengünstigen Schwerkraftsensor!

Die Lösung

Es gibt spezielle Diodenlaser mit verteilter Rückkopplung (Distributed Feedback, DFB), die in der Telekommunikation weit verbreitet sind und eine rauscharme Leistung aus einem kleinen Gehäuse liefern können. Sie können aktiv und kostengünstig stabilisiert werden, in diesem Fall durch das „Festhalten“ ihrer Leistung an einer kostengünstigen Zelle aus Rubidiumdampf. Mit nur einigen zehn Milliwatt haben die DFBs jedoch einfach nicht die Leistung, die für diese Anwendung benötigt wird.

Glücklicherweise fand das Fraunhofer CAP Team die perfekte Lösung in Form von -Chips von Coherent. Diese Komponenten verwenden ein neuartiges Chipdesign, das die hochwertige optische Leistung eines kleinen Chips mit der hohen Leistung eines größeren Chips verbindet. McKnight erklärt: „Wir können jetzt die für unseren Schwerkraftsensor erforderliche Leistung des Laserstrahls erzielen, indem wir einen DFB mit einem dieser trapezförmigen Bauelemente in einer herkömmlichen MOPA-Anordnung (Master Oscillator Power Amplifier) kombinieren. Da diese trapezförmigen Chips eine hochwertige Verstärkung bieten, behält der endgültige MOPA-Ausgang alle optischen Eigenschaften des stabilisierten DFB-Oszillators bei, einschließlich einer guten Strahlqualität und einer schmalen Linienbreite, aber mit der von uns benötigten Watt-Leistung. Und mit einem Hochleistungslaser, der aus nur zwei kleinen Diodenchips besteht, ist das Ergebnis ideal für ein kompaktes, tragbares Setup mit geringem Stromverbrauch.“

Das Ergebnis

Das Team hat mit dieser Laseranordnung über 3×10⁸ Rubidium-Atome mit einer Wiederholrate von >1 Hz erfolgreich gekühlt und eingefangen, was die Anforderungen für den vorgeschlagenen Schwerkraftsensor erfüllt. Sie arbeiten nun daran, die Größe, das Gewicht und die Leistung des Systems weiter zu reduzieren. McKnight schlussfolgert: „Dieselbe laserbasierte Quanten-Engine könnte für die inertiale Geolokalisierung verwendet werden, z. B. von Flugzeugen und U-Booten, aber mit einer besseren langfristigen absoluten Genauigkeit als Faserkreisel. Wir arbeiten mit Partnern zusammen, um diese Technologie in der Praxis zu demonstrieren.“

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