Kompakte Quantensensorik für Drohnen
Atomgravimeter soll Schwerkraft aus der Luft messen
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM und des Quantentechnologie-Unternehmens Nomad Atomics entwickeln im Projekt QuoGkA ein kompaktes Atomgravimeter. Das System soll perspektivisch auf Drohnen eingesetzt werden und Gravitationsfelder aus der Luft messen.
Atomgravimeter nutzen Atominterferometrie, bei der ultrakalte Rubidiumatome als Quantensensoren dienen. Kurze Laserpulse teilen die als Wellen beschriebenen Atome auf und führen sie anschließend wieder zusammen. Aus dem dabei gemessenen Unterschied lässt sich die Stärke der Schwerkraft bestimmen. Veränderungen des Schwerefeldes können unter anderem Hinweise auf unterirdische Strukturen liefern.
Optik auf einer Glasplattform
Bisherige Atomgravimeter sind groß und schwer. Kommerzielle Systeme können laut Fraunhofer IZM mehr als 100 kg wiegen. Im Projekt QuoGkA sollen die optischen Komponenten deshalb auf einer gemeinsamen Plattform integriert werden.
Das Fraunhofer IZM entwickelt dafür eine elektro-optische Leiterplatte aus Glas. Auf einer Fläche von rund 50 cm² sollen optische und elektrische Funktionen zusammengeführt werden. In das Glas integrierte Lichtwellenleiter führen das Laserlicht durch das System.
Für die Wellenleiter kommt ein Ionenaustauschverfahren zum Einsatz. Die Forschenden entwickeln damit Single-Mode-Wellenleiter für eine Zielwellenlänge von 780 nm auf kommerziellem Dünnglas. Diese Wellenlänge wird benötigt, um Rubidiumatome in einer magneto-optischen Falle auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abzukühlen.
Mehrere optische Funktionen integriert
Zu den entwickelten Komponenten gehören ein Multimode-Interferenzkoppler und ein Evaneszenz-Koppler zur Aufteilung der Lasersignale. Ein elektro-optischer 1-zu-n-Schalter auf Basis eines Polymers von Hyphox verteilt das Lasersignal elektrisch auf einen von vier Kanälen.
Zusätzlich entwickelt das Fraunhofer IZM eine Rubidium-Gaszelle aus Glas. Sie wird per Laserschweißen gefertigt und integriert neben der hermetisch abgeschlossenen Zelle auch optische Komponenten zur Strahlformung.
Einsatz in mobilen Anwendungen
Die Kombination der Komponenten soll ein kompakteres und leichteres System für den Einsatz außerhalb des Labors ermöglichen. Als mögliche Anwendungen nennt das Fraunhofer IZM unter anderem Rohstofferkundung, Wasserwirtschaft und geophysikalische Forschung.