Moderne Diodenlasersysteme können Gaslaser in der Metrologie ersetzen

KMU-innovativ
23.05.2019
Erstellt von TOPTICA Photonics AG und Photonik Forschung Deutschland

Zu diesem Schluss kamen die Forscher im kürzlich beendeten BMBF-Projekt FINDLING. Mit den neuartigen Lichtquellen lassen sich zukünftig kompaktere Messinstrumente mit höherer Funktionalität realisieren.

miniaturisierter Laserkopf im Größenvergleich zu Eurostück
Bild 1: Demonstrator des miniaturisierten Laserkopfs. Das fasergekoppelte Modul enthält die Laserdiode, einen Isolator, sowie eine Referenzzelle für die Frequenzstabilisierung. Bild: Toptica Photonics AG

Kohärente und absolut frequenzstabilisierte Laser bilden heute die Grundlage für viele Anwendungen in der Metrologie, Fertigungstechnik, Medizin und Quantenoptik. Für die Metrologie sind insbesondere die sehr präzise Distanzmessung und die Bereitstellung von Frequenz- bzw. Längennormalen wichtig.

Die optische Distanzmessung beruht auf dem Prinzip der Interferometrie und erfordert eine hohe Kohärenz sowie eine hohe absolute Frequenzgenauigkeit der Lichtquelle. Der Laser dient hierbei als ein „Lineal“ – je besser seine absolute Genauigkeit, desto feiner ist die Auflösung. Zur Kalibrierung solcher Lasersysteme wird, wie für alle Messinstrumente, eine Referenz benötigt die deutlich genauer als das zu kalibrierende System ist. In derartigen Anwendungen, sowohl für die Distanzmessung als auch die Referenzquellen werden bis heute veraltete Systeme mit fundamentalen Einschränkungen hinsichtlich der Baugröße, Wellenlänge und Leistung eingesetzt. Die Größe dieser Laser verhindert derzeit die Entwicklung von Messinstrumenten, die kompakter sind und eine höhere Funktionalität besitzen.

Die Wissenschaftler des Verbundprojekts „FINDLING“ erforschten neuartige Lichtquellen für kompakte und hochgenaue Lasersysteme und demonstrierten deren praktischen Einsatz in zwei ausgewählten Anwendungen.

Neuartiger Laserkopf besteht Eignungstest

Dabei konnten die am Projekt beteiligten Partner TOPTICA Photonics AG aus München, das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Berlin und Hexagon als assoziierter Partner einen neuartigen kompakten Laserkopf entwickeln, der Licht bei 633 nm emittiert (Bild 1). Das System erreicht eine absolute Frequenzstabilität im Bereich von 10-8. Hiermit lassen sich prinzipiell Distanzen von 100 m mit einer Genauigkeit von 1 Mikrometer messen. Die Eignung für den Einsatz in der interferometrischen Messtechnik wurde dabei in einer realen Anwendungsumgebung in einem Messsystem untersucht.

Stabiler als der genaueste Helium-Neon-Laser

In einer zweiten Anwendung untersuchten die Projektpartner gemeinsam mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, bis zu welcher Frequenzgenauigkeit die neuen Lichtquellen ausgereizt werden können (Bild 2). Es wurde eine absolute Frequenzstabilität von 2·10-12 erreicht. Das übertrifft die Stabilität der genauesten Helium-Neon-Laser. Gleichzeitig bietet das System eine höhere Ausgangsleistung und eine höhere Flexibilität in der Wahl der genauen Wellenlänge. Diodenlaser können also in Zukunft als sekundäre Frequenzstandards anstelle der bisher verwendeten Helium-Neon-Laser eingesetzt werden.

Das Projekt FINDLING wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Förderinitiative „KMU-innovativ: Photonik“ von 2017 bis 2019 mit 3,5 Millionen Euro gefördert.

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optischer Resonator
Bild 2: Teil des Aufbaus der hochgenauen Laserquelle. Zu sehen ist die Referenzzelle, die sich in einem optischen Resonator befindet. Bild: Physikalisch-Technische Bundesanstalt