Ziel der Entwicklung

Für die weitere Entwicklung der Quantentechnologien, ist die Verkleinerung sowie Vereinfachung einzelner Systemkomponenten unumgänglich. Dies ermöglicht die Fokussierung der Experten auf den Entwurf und die Entwicklung des Gesamtsystems. Eine Versuchsanordnung, die häufig in quantenoptischen Experimenten beispielsweise Charakterisierung von Einzelphotonenquellen und Quantenkryptographie zum Einsatz kommt, ist die Hanbury Brown-Twiss-Konfiguration. Diese ist zurzeit in den meisten Experimenten diskret auf einer optischen Bank aufgebaut, was für experimentelle Arbeiten kein Problem darstellt oder sogar notwendig ist. Für die Überführung des Systems in die kommerzielle Anwendung ist dies jedoch nicht praktikabel. Neben dem benötigten Platz und hohen Kosten für die Labormaterialien, ist die Justierung der optischen Komponenten anspruchsvoll und zeitaufwändig. Ein kompaktes System, mit optionaler Faserkopplung, das die gesamte Konfiguration in einem möglichst kompakten Gehäuse vereint und zusätzlich deutlich geringere Kosten verursacht, könnte dazu beitragen, Quantentechnologien, wie beispielsweise die Quantenkryptographie, einem breiten Kreis von Anwendern zugänglich zu machen. Eine weitere interessante Anwendung bietet die Nutzung der miniaturisierten Baugruppe zur Detektion des Lumineszenzlichts von NV-Zentren, optisch aktive Stickstoff-Fehlstellen, in Diamanten. Darauf basierend könnte ein Elektronendetektor mit hoher Strahlenhärte realisiert werden. Märkte für strahlungsresistente Detektoren sind vor allem im Bereich der Medizintechnik und Messtechnik zu finden. Darüber hinaus sind Großforschungseinrichtungen wie das CERN ebenfalls an neuen strahlungsresistenten Detektoren interessiert.

Vorteile und Lösungen

Die Hanbury Brown-Twiss-Konfiguration besteht aus einem Strahlteiler und zwei Detektoren, die das aufgetrennte Licht detektieren. Über ein 3D-Druckverfahren wurde eine modular aufgebaute, miniaturisierte Variante dieses Aufbaus realisiert. Die entwickelte Baugruppe ist fasergekoppelt, kann jedoch auch in Freistrahlsystemen eingesetzt werden. Ein wechselbarer Filterwürfel ermöglicht den Einsatz einfacher 50-50- sowie auch polarisierender und dichroitischer Strahlteiler. Zusätzlich können Filter zur Reduzierung von Licht unerwünschter Wellenlängen eingebracht werden. Weiterhin ermöglichen Linseneinschübe die Verwendung von Detektoren mit sehr kleiner Fläche, wie beispielsweise handelsübliche Avalanche-Photodioden auch APDs genannt. Vergleichbare Funktionseigenschaften in üblichen Laboraufbauten beanspruchen etwa den zehn-fachen Bauraum und mehr als 30-fache Kosten. Für die Anwendung als Elektronendetektor wird ein Diamant mit sogenannten NV-Zentren benötigt. Hierbei handelt es sich um optisch aktive Stickstoff-Fehlstellen im Diamantgitter. Auf den Diamanten auftreffende Elektronen verursachen, bei ausreichend hoher Energie, die Emission von Lumineszenzlicht. Die Intensität des Lichts hängt dabei von der Elektronendosis ab. Zudem gibt es elektrisch neutrale und einfach negativ geladene NV-Zentren. Das Verhältnis der optisch, also beispielsweise mittels eines Lasers, angeregten Lumineszenz von den NV-Zentren unterschiedlicher Ladung wird ebenfalls von auftreffenden Elektronen beeinflusst. Durch den Einsatz eines dichroitischen Strahlteilers, der Licht unter- und oberhalb einer bestimmten Wellenlänge räumlich auftrennt, kann das für die NV-Zentren beider Ladungszustände charakteristische Lumineszenzlicht getrennt detektiert werden. Somit lässt sich die miniaturisierte Baugruppe prinzipiell als Elektronendetektor nutzen. Abhängig von der konkreten Anwendung, insbesondere der Elektronenenergie, kann es dabei notwendig sein einen Laserstrahl in die optische Faser einzukoppeln, der die NV-Zentren optisch anregt. Zudem wurde eine noch kompaktere Baugruppe entworfen, welche in etwa die Größe eines Zuckerwürfels aufweist. Hierzu werden ein Strahlteilerwürfel und ein Prismenreflektor direkt miteinander verbunden. Das räumlich aufgetrennte Licht wird dann mittels zweier direkt an die optischen Komponenten angeklebten Detektoren erfasst. Die Faserkopplung wurde hier über einen Siliziumchip mit einem Ätzloch realisiert, in welches die Faser fest verklebt wird. Der Chip selbst wird, hochpräzise positioniert, mit dem Strahlteiler verbunden, und damit eine robuste und justagefreie Faserkopplung ermöglicht. Durch die Nutzung konfektionierter optischer Bauelemente können auch hier viele unterschiedliche Anwendungsfälle bedient werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Im Rahmen der Projektarbeit wurden mehrere Ergebnisse erzielt. Für die Detektion des Lichts wurden spezielle Avalance Photodioden entworfen und gefertigt, die einen mittleren Verstärkungsfaktor im zweistelligen Bereich aufweisen. Damit kann die Lücke zwischen handelsüblichen nichtverstärkenden Photodioden und hochverstärkenden Avalance Photodioden bedient werden. Einsatzgebiete der Avalance Photodioden ergeben sich überall dort, wo geringe Bestrahlungsstärken sicher quantifiziert werden müssen. Ein Beispiel ist die bildgebende Fluoreszenzlichtanalyse im Bio-, Pharma- und Medizintechnikbereich aber auch Laborgeräte für Forschung und Entwicklung und Grundlagenforschung. Ergänzend zu den neuen Silizium-Detektoren wurden maßgeschneiderte Mikromontagetechnologien adaptiert, um so sehr kompakte zwei-Kanal-Module mit integrierten optischen Filtern und Strahlteilern zu realisieren. Solche Anordnungen sind neben der Detektion von verschränkten Photonen in den aktuell stark beforschten Quantentechnologien wie Q-Computer und Q-Kryptographie auch für andere Anwendungen von Interesse. Erneut kann die Fluoreszenzlichtanalyse als Anwendungsbeispiel dienen, da hier in kompakter Bauform zwei spektrale Bereiche zum Beispiel eines Referenz-Farbstoffs und Messfarbstoff getrennt werden können. Zielmärkte sind erneut Medizintechnik sowie Bio- und Pharma-Anwendungen. Im Projekt wurden die entwickelten Technologien in zwei Demonstratorsystemen angewandt. Zum einen ist der Fluoreszenzlichtbasierte Elektronendetektor, durch Umwandlung innerhalb eines definiert gestörten Diamanten, mit extremer Strahlenhärte relevant. Durch die strahlenharten Diamanten könnte sich dieses Messprinzip insbesondere im Bereich der Großforschungsanlagen der Hochenergiephysik wie beispielsweise am CERN als vorteilhaft gegenüber bisher verwendeten Siliziumdetektoren erweisen. Erste Untersuchungen unterstreichen dieses Potential. Zum anderen wurden sehr kompakte Demonstratoren von Detektoren in der HBT-Anordnung realisiert, die vor allem in neuen Quantentechnologischen Anwendungen zur Anwendung kommen können. Diese kompakten und robusten Einheiten ersetzten Anordnungen, die derzeit vor allem auf optischen Bänken in Laborumgebung erreicht werden. Neben Platz- und Kostenersparnis entfällt für den Anwender der Justieraufwand. Neben den direkten Verwertungspfaden öffnen die beschriebenen Ergebnisse auch den Weg zu breiteren und neuen Anwendungen, insbesondere in den Bereich Forschung und Entwicklung neuer Technologien wie der Quantentechnik.