Präzision bis zum Femtosekundenbereich
Wie rauschfreie Netzteile exakte Lasersynchronisation ermöglichen
In Forschung, Medizintechnik und Raumfahrt sind hochpräzise Lasersysteme unentbehrlich. Das Synchronisationssystem BOMPD von Cycle ermöglicht es, Femtosekundenlaser mit Mikrowellen bis in den Femtosekundenbereich exakt abzustimmen.
Um diese Präzision zu erreichen, spielen rauschfreie Netzteile von Burger Engineering eine zentrale Rolle – für störungsfreie, kompakte und präzise Gesamtlösungen.
Cycle, eine Ausgründung des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY), entwickelt seit 2015 hochpräzise Synchronisationssysteme. Die Technologie des Unternehmens findet dort Interesse, wo in Wissenschaft und Industrie herkömmliche elektronische Systeme an ihre Grenzen stoßen. Das ist vor allem dort der Fall, wo es um ultrakurze Zeitintervalle und präzise Signalabgleiche geht. Synchronisationen im Nanosekundenbereich genügen für viele Anwendungen heute nicht mehr aus, zum Beispiel in Teilchenbeschleunigern und Freie-Elektronen-Lasern (FEL), bei Hochintensitätslasern oder Satellitenkommunikation. Hier setzt die Technologie von Cycle an: Mit der Fähigkeit, Kurzpulslaser im Femtosekundenbereich (1 fs = 10-15 s) zu synchronisieren, eröffnet sie völlig neue Möglichkeiten in solch hochsensiblen Anwendungen.
Seit seiner Gründung hat sich Cycle unter der Mitwirkung von Prof. Franz X. Kärtner von DESY und der Universität Hamburg zum Spezialisten für hochpräzise Synchronisationssysteme auf Basis von Ultrakurzpulslasern entwickelt. Diese Technologie spielt eine Schlüsselrolle in Anwendungen, bei denen höchste Genauigkeit unabdingbar ist – von der Grundlagenforschung über die Raumfahrt bis hin zur Industrie.
Die steigenden Präzisionsanforderungen stellen herkömmliche Systeme vor erhebliche Herausforderungen. Typische Probleme wie Signalrauschen und instabile Umgebungsbedingungen limitieren die Leistungsfähigkeit konventioneller Ansätze. Cycle begegnet diesen Herausforderungen mit Lösungen, die frühere Nanosekundensysteme um mehrere Größenordnungen übertreffen.
»Unsere Femtosekunden-Technologie ermöglicht Experimente, die mit herkömmlichen Methoden schlichtweg nicht realisierbar wären«, erläutert Dr. Alice Autuori, Produktmanagerin bei Cycle. Diese Fortschritte finden beispielsweise in modernen Teilchenbeschleunigern und Hochintensitätslaser-Laboren Eingang.
Parallel zur Entwicklung synchroner Systeme hat sich auch die Verfügbarkeit von Hochintensitäts-Ultrakurzpulslasern drastisch verbessert. »Während diese Systeme früher auf wenige Speziallabore beschränkt waren, profitieren sie heutzutage von Fortschritten in der Miniaturisierung, Kosteneffizienz und Energieoptimierung. Dadurch sind sie kompakter, erschwinglicher und leistungsfähiger«, führt Dr. Autuori weiter aus. »Statt weniger als zehn Einheiten sind inzwischen Hunderte im Einsatz – das erweitert die Forschung und erschließt völlig neue Anwendungsfelder.«
Einen wichtigen Beitrag zur Leistungsfähigkeit der Cycle-Systeme leisten die rauscharmen Daitron-Schaltnetzteile von Burger Engineering. Sie minimieren elektrische Störungen und ermöglichen so eine kompakte und zuverlässige Bauweise der Synchronisationssysteme. Denn die Stromversorgungslösungen mit Ripple-Werten unter 1 mVss stabilisieren präzisionskritische Systeme.
Cycle entwickelt außerdem Systeme zur Erzeugung und Verteilung von Frequenz- und Zeitsignalen in Funkstationen. Dazu wird die Stabilität von Atomuhren mit den Zeitstempeln von GNSS-Satelliten kombiniert, um besonders präzise und rauscharme Referenzsignale innerhalb der Station zur Verfügung zu stellen. Dies ist essenziell, um die Kommunikation der Funkstationen, zum Beispiel des ESTRACK Network der europäischen Raumfahrtagentur (ESA), mit Satelliten bis tief in den Weltraum hinein zu ermöglichen.
Grenzen herkömmlicher Technologien
Mit diesen Innovationen setzt Cycle neue Maßstäbe in der Synchronisationstechnologie und fördert bahnbrechende Entwicklungen in Forschung und Industrie.
Klassische Synchronisationsverfahren von optischen und Mikrowellensignalen beruhen auf direkter Photodetektion, bei der Lichtimpulse in elektrische Signale umgewandelt wurden, um Phasenvergleiche durchzuführen. Diese Methode ist jedoch anfällig für Schwankungen der Lichtintensität und der Temperatur – beide verursachen Phasenrauschen –, und die Timing-Auflösung ist im Bereich von Pikosekunden begrenzt – eine Präzision, die für Anwendungen wie FELs oder moderne Teilchenbeschleuniger nicht ausreicht.
Auf Basis der Prinzipien des elektrooptischen Phasendetektionsschemas, das von Prof. Kärtner und seiner Forschungsgruppe früher am MIT, USA, demonstriert wurde und heute am DESY und an der Universität Hamburg demonstriert wird, hat das F&E-Team von Cycle den ersten industriellen optischen Mikrowellen-Phasendetektor mit Sub-Femtosekunden-Auflösung entwickelt: BOMPD (Balanced Optical Microwave Phase Detector). BOMPD ermöglicht einen optoelektronischen Phasenregelkreis zwischen einem Laseroszillator und einem Mikrowellenoszillator.
Die Lichtimpulse aus dem Ultrakurzpulslaser werden in zwei Arme aufgeteilt und in Amplitudenmodulatoren geleitet, die von der Mikrowellenquelle angetrieben werden. Der Phasenfehler wird in ein Intensitätsungleichgewicht der geteilten Strahlen umgewandelt und von einem Gegentakt-Photodetektor erfasst – das Fehlersignal zur Stabilisierung des VCO oder Lasers (Abbildung 1).
Weil der Phasenfehler beziehungsweise zeitliche Versatz zwischen Laserpulszug und Mikrowellensignal durch Amplitudenmodulatoren in einen Intensitätsunterschied vor der Detektion umgewandelt wird, lassen sich neue Genauigkeitsrekorde im Timing erreichen. Das Ausgangssignal, das proportional zum Phasenfehler ist, kann durch einen rauscharmen Controller, ESYNC von Cycle, berücksichtigt werden, um die Abweichung vom Nullpunkt der Amplitudenmodulation aktiv zu kompensieren (Abbildung 2).
Die BOMPD-Technologie zeichnet sich durch eine außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit aus, die minimale Zeitunterschiede präzise misst. Mit einer Auflösung unter 0,5 Femtosekunden und einer Drift von unter 20 Femtosekunden in 10 Stunden bietet sie außer ihrer Präzision langfristige Stabilität. »Ohne BOMPD wäre die exakte Synchronisation zwischen Mikrowellensystemen und Lasern kaum realisierbar«, sagt Dr. Autuori.
Wissenschaftler profitieren von den präziseren Experimenten, unter anderem in der zeitaufgelösten Röntgenbeugung. »Unsere Technologie läuft weltweit rund um die Uhr – mit einer beispiellosen Zuverlässigkeit«, erläutert Dr. Autuori.
Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteile für Langzeitstabilität
Neben hoher Präzision spielt die Langzeitstabilität eine zentrale Rolle in Cycles Systemen. Dank der Kooperation mit Burger Engineering setzt Cycle spezielle Ultra-Low-Noise-Netzteile des Herstellers Daitron ein, die durch minimale Störungen und eine konstant hohe Leistung gekennzeichnet sind. Sie laufen bereits seit drei Jahren in den 24/7-Betriebssystemen von Cycle – ohne messbaren Leistungsabfall.
Daitron-Netzteile setzen auf Resonanz-Mode-Technologie mit Soft Switching, was Störsignale auf unter 1 mVss senkt. Damit bieten sie eine ähnlich geringe Störspannung wie lineargeregelte Netzteile, jedoch bei höherer Effizienz und kompakterem Design. Während die Ultra-Low-Noise-Netzteile in Asien und den USA längst etabliert sind, nimmt ihr Einsatz in Europa erst jetzt zu – vor allem in Bereichen mit besonders hohen Präzisionsanforderungen wie Analytik, Medizintechnik und Forschung.
Vielseitige Anwendungen durch rauscharme Stromversorgung
Ultra-Low-Noise-Netzteile kommen dabei verstärkt in Hightech-Bereichen wie Medizintechnik, Spektroskopie oder präziser Längenmesstechnik zum Einsatz. Durch die Reduktion der elektrischen Störungen und die Verbesserung der Signalqualität bilden sie die Grundlage für zuverlässige Messergebnisse – eine Voraussetzung, die auch die Cycle-Systeme erfüllen müssen.
Im Vergleich mit klassischen Linearnetzteilen, die früher für sensible Anwendungen genutzt wurden, kombinieren Ultra-Low-Noise-Netzteile geringe Störemissionen mit höherer Energieeffizienz und kompakter Bauweise. Dies spart nicht nur Platz, sondern optimiert auch die Gesamtleistung der Systeme.
Dank ihrer technischen Eigenschaften – minimales Rauschen (<1 mVss), Robustheit und globale Kompatibilität – bieten sie sich für heutige Präzisionsgeräte an. Für Cycle bedeutet dies: kompakte Designs und störungsfreier Betrieb selbst unter extremen Bedingungen.
Zukunftsperspektiven
Die Partnerschaft zwischen Cycle und Burger Engineering zeigt, wie die Kombination von Spitzentechnologie und spezialisierten Komponenten wie den Ultra-Low-Noise-Netzteilen Präzision und Stabilität in neuen Dimensionen ermöglicht. Geplante Weiterentwicklungen zielen darauf ab, die Femtosekunden-Synchronisation weiter zu optimieren und in Bereiche wie Quantencomputing oder ultraschnelle Datennetzwerke zu übertragen. Gleichzeitig erschließen beide Unternehmen neue Märkte, zum Beispiel in der europäischen Halbleiterindustrie oder in der satellitengestützten Kommunikation und Erdbeobachtung.
Durch ihre Expertise in Synchronisationstechnologien und Stromversorgungslösungen tragen Cycle, Burger Engineering und Daitron dazu bei, nicht nur aktuelle Herausforderungen zu meistern, sondern auch kommende Innovationen voranzutreiben. Ob in der Erforschung neuartiger Materialien, in der Entwicklung präziser Medizingeräte oder bei der Steuerung von Satellitenkonstellationen – die Technologien bilden eine Grundlage für Fortschritte, die Wissenschaft und Industrie nachhaltig prägen werden.
Die Autoren:
Dr. Alice Autuori, Produktmanagerin, Cycle GmbH, und Roman Reimer, Experte Schaltnetzteile, Burger Engineering GmbH
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