MiLas® – Mikrointegrierte Diodenlasermodule

Quantensensoren führen zu einem Paradigmenwechsel bei vielen messtechnischen Anwendungen, denn durch die Empfindlichkeit quantenmechanischer Zustände kann eine deutlich höhere Messpräzision erreicht werden. Das gilt insbesondere für die Zeitmessung. Optische Atomuhren beispielsweise sind Mikrowellen-Atomuhren in Bezug auf Genauigkeit und Stabilität deutlich überlegen. Das ist besonders für den Einsatz in Umgebungen mit extremen Bedingungen relevant, z. B. im Weltall oder auf beweglichen Plattformen wie Zügen, Lastwagen, Drohnen, Flugzeugen oder Satelliten. Dort herrschen strenge Anforderungen hinsichtlich Kompaktheit und Robustheit an die Sensoren in den optischen Uhren.

Am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (Leibniz FBH) werden daher an extreme Bedingungen angepasste Module entwickelt. Die photonischen Module umfassen dabei Diodenlasermodule mit schmaler Linienbreite, Spektroskopiemodule und »Strahlvorbereitungs-« oder »Verteilungs-«Module, die geeignete polychromatische Lichtpulse aus cw-Lasern für die Implementierung eines Quantensensors erzeugen.

Anwendung findet die Technologie beispielsweise in der Raumfahrt im Projekt »BECCAL« (Bose-Einstein-Condensate and Cold Atom Laboratory). An Bord der internationalen Raumstation ISS können Experimente unter anderen Bedingungen als auf der Erde durchgeführt werden, z. B. herrscht permanente Schwerelosigkeit. Das bietet Forschenden neue Möglichkeiten, weil so längere Freifall- und Beobachtungszeiten, weitere Fallenkonfigurationen zum Fangen und Kühlen von Atomen genutzt sowie statistische Analysen wiederholt werden können. Besonders Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten sind relevant für die Grundlagenforschung und Entwicklung künftiger Quantensensoren. Bose-Einstein-Kondensate entstehen, wenn ein Gas bis fast auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt wird, dazu eignen sich u. a. Rubidium-Atome. Damit solche Experimente durchgeführt werden können, muss die verwendete Hardware wie beschrieben bestimmten Bedingungen (Beschleunigung, Vibrationsbelastung, Temperaturschwankungen) standhalten können. An dieser Stelle leisten die mikrointegrierten optischen Lasermodule einen wichtigen Beitrag, denn sie ermöglichen das Kontrollieren und Manipulieren der Atome unter extremen Bedingungen.