Eine neue Art von abstimmbarer Lasertechnologie

Laser sind wichtige Werkzeuge, die in vielen Bereichen eingesetzt werden, wie Kommunikation, Sensorik und Bildgebung. Eine neue Art von Laser ist aufgetaucht, die schnelles Tuning, wenig Rauschen und hohe Ausgangsleistung bietet. Diese neue Technologie könnte in verschiedenen Anwendungen wie Distanzmessung und der Erkennung bestimmter Gase nützlich sein.

#Wie der neue Laser funktioniert

Der neue Laser nutzt eine spezielle Architektur namens extended distributed Bragg reflector (E-DBR). Dieses Design ermöglicht es dem Laser, seine Frequenz sehr schnell und stabil anzupassen. Der Laser kombiniert zwei Hauptkomponenten: einen reflektierenden Halbleiteroptikverstärker (RSOA) und einen spezialisierten photonischen integrierten Schaltkreis (PIC), der aus Lithiumniobat auf Isolator (LNOI) gefertigt ist.

#Die Komponenten

1. Reflektierender Halbleiteroptikverstärker (RSOA): Dieses Bauteil dient als Lichtquelle im Laser. Es lässt sich einfach handhaben und ist günstiger im Vergleich zu anderen Verstärkertypen.

2. Photonischer integrierter Schaltkreis (PIC): In diesem Schaltkreis findet das eigentliche Tuning statt. Er manipuliert das Licht, um die Frequenz ohne abruptes Springen im Ausgang zu ändern.

#Hauptmerkmale des neuen Lasers

Das neue Laserdesign bietet mehrere beeindruckende Merkmale:

#Schnell Tuning

Der Laser kann seine Frequenz mit atemberaubenden 10 Petahertz pro Sekunde ändern. Diese schnelle Anpassung ist entscheidend für Anwendungen, die Echtzeitdaten benötigen, wie das Scannen von Objekten oder das Messen von Distanzen.

#Geringe Rauschpegel

Rauschen kann die Leistung eines Lasers stören und seine Präzision beeinträchtigen. Dieses neue Design minimiert das Rauschen und sorgt für klarere Signale in Messungen.

#Hohe Ausgangsleistung

Der Laser kann über 15 Milliwatt Leistung bei einer bestimmten Wellenlänge von 1545 Nanometern erzeugen. Dieses Leistungsniveau macht ihn für verschiedene Anwendungen geeignet, ohne dass umfangreiche Verstärkung erforderlich ist.

#Anwendungen des neuen Lasers

#Kohärente optische Reichweitenmessung (LiDAR)

Eine der Hauptanwendungen dieses Lasers ist das frequenzmodulierte kontinuierliche Wellen (FMCW) LiDAR. Diese Technologie wird für detaillierte Distanzmessungen genutzt, z. B. in autonomen Fahrzeugen oder bei Umweltüberwachungen.

Mit dem Laser erreichten die Forscher eine Distanzauflösung von etwa 4 Zentimetern. Die Fähigkeit des Lasers, seine Frequenz schnell anzupassen, verbessert die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der getätigten Messungen.

#Gaserkennung

Der neue Laser ist auch nützlich bei der Erkennung von Gasen wie Wasserstoffcyanid (HCN). Sein schnelles Tuning ermöglicht es, spezifische Wellenlängen anzusteuern, die diese Gase absorbieren, was das Messen ihrer Konzentration in der Luft erleichtert.

In Tests konnte der Laser erfolgreich die Absorptionsmerkmale von HCN messen und zeigt, dass er ein effektives Werkzeug für Umweltüberwachung und Sicherheitsanwendungen sein kann.

#Wie der Laser konstruiert wird

#Gerätefertigung

Der Herstellungsprozess umfasst mehrere Schritte:

1. Wafer-Vorbereitung: Eine dünne Schicht aus Lithiumniobat wird auf einem Substrat vorbereitet. Dieses Material wurde wegen seiner aussergewöhnlichen Eigenschaften zur Manipulation von Licht ausgewählt.

2. Photolithografie: Komplexe Designs für den photonischen Schaltkreis werden mithilfe eines präzisen Photolithografieprozesses auf das Lithiumniobat übertragen.

3. Ätzen: Die gewünschten Merkmale werden in das Lithiumniobat geätzt, um die Wellenleiter und Bragg-Gitter-Strukturen zu bilden.

4. Elektrodenplatzierung: Goldene Elektroden werden hinzugefügt, um das elektrooptische Tuning zu ermöglichen, was die Modulation des Laser-Ausgangs erlaubt.

#Leistung und Tests

#Charakterisierung des Lasers

Es wurden verschiedene Tests durchgeführt, um die Leistung des Lasers zu bewerten:

• Die Ausgangsleistung wurde als Funktion des Antriebstroms gemessen, um eine optimale Leistung bei unterschiedlichen Einstellungen zu gewährleisten.
• Das Frequenzrauschen wurde mit anderen Lasersystemen verglichen, um zu bestätigen, dass es mit deutlich geringeren Rauschpegeln arbeitet.
• Die Tuning-Effizienz, die angibt, wie effektiv der Laser seine Frequenz einstellen kann, lag bei über 500 MHz pro Volt und zeigt seine Reaktionsfähigkeit.

#Praktische Tests

Der Laser wurde in mehreren Machbarkeitsstudien, hauptsächlich in FMCW LiDAR-Setups und Gas-Spektroskopie, getestet. Diese Tests bestätigten, dass der Laser erfolgreich in praktischen Szenarien arbeiten kann und dabei hohe Präzision und Auflösung erreicht.

#Diskussion und Zukunftsperspektiven

Die Entwicklung dieser neuen Lasertechnologie hat grosses Potenzial für verschiedene Bereiche. Die Kombination aus schnellem Tuning, wenig Rauschen und hoher Ausgangsleistung macht ihn zu einem starken Kandidaten für Anwendungen in der Telekommunikation, Umweltsensorik und sogar medizinischen Diagnosen.

#Potenzielle Verbesserungen

Obwohl die aktuelle Version des Lasers aussergewöhnlich gut funktioniert, gibt es Möglichkeiten zur Verbesserung:

• Erhöhung des Tuning-Bereichs: Zukünftige Designs könnten den Tuning-Bereich über die aktuellen Grenzen hinaus erweitern, was noch mehr Anwendungen ermöglichen würde.
• Kostenwerte Fertigung: Die Einfachheit der Komponenten und des Herstellungsprozesses öffnet die Tür zur Massenproduktion, was zu einer breiten Anwendung in verschiedenen Branchen führen könnte.

#Fazit

Der ultrafast tunable Pockels extended-DBR-Laser stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Lasertechnologie dar. Seine Fähigkeiten können die Anforderungen moderner Anwendungen erfüllen, die Geschwindigkeit, Präzision und Zuverlässigkeit benötigen. Während Forschung und Entwicklung weitergehen, können wir erwarten, dass diese innovative Technologie in mehreren Bereichen einen echten Einfluss hat.