Lasery pro měření a metrologii

V roce 2010 slaví laser 50. výročí od svého vzniku. Od počáteční kuriozity vědeckých laboratoří si dnes již našel cestu do téměř každé domácnosti. Přes tisíce různých aplikací laseru patří laserové měření vzdáleností mezi jednu z nejznámějších. V laboratořích ÚPT byl realizován první český He-Ne laser jen tři roky po jeho světové premiéře a jeho konstrukce byla postupně zdokonalována pro potřeby české metrologie.

Z této mnohaleté historie vychází i naše nabízené zkušenosti v následujících oblastech:

úprava spektra vlnových délek vyzařovaného plynovými a polovodičovými lasery,
konstrukce laserů pro metrologické aplikace s extrémní stabilitou vyzařované frekvence,
zhotovování kyvet plněných ultračistými plyny pro absorpční spektroskopii,
návrh a realizace interferometrických měřicích systémů,
návrhy a realizace speciální elektroniky pro řízení experimentů včetně software.

Téma: Lasery s vysokou koherencí pro měřicí účely

** Lasery vyvinuté v ÚPT jsou unikátní svou vysokou koherencí, a proto jsou vhodné k:**

přesnému měření vzdáleností na principu laserové interferometrie,
analýze složení plynů a dalších průsvitných látek na principu laserové spektroskopie.

ÚPT disponuje lasery s vysokou koherencí, pracující na následujících vlnových délkách: 502 nm, 532 nm, 543 nm, 633 nm, 760 nm, 780 nm, 1064 nm, 1315 nm, 1540 nm. Podle potřeby uživatelů lze tento základní výběr rozšířit o další vlnové délky.

Příklady realizovaných konstrukcí:

He-Ne lasery a výbojové trubice pro konstrukci He-Ne laserů. Vyvinuli jsme technologii výroby plynových He-Ne laserů, které dominují v oblasti přesného měření délky. Tyto lasery jsou teplotně stabilní a vhodné např. jako zdroj laserového záření pro odměřovací systémy na principu laserového interferometru. Od většiny světových výrobců se naše He-Ne lasery liší především rychlým přeladěním vlnové délky vyzařovaného světla, které zajišťují integrované piezoelektrické měniče.
ECL lasery pro měření a spektroskopii. Tradiční He-Ne lasery pracující ve viditelné oblasti spektra je možné ladit pouze ve velmi úzkém spektrálních rozsahu. Tuto nevýhodu nemají laserové diody, které však na rozdíl od He-Ne laserů mají mnohem širší spektrum současně vyzařovaných vlnových délek, a proto nejsou vhodné pro přesnější spektroskopické aplikace např. pro analýzy plynů a dalších materiálů. Vyvinuli jsme proto technologii výroby polovodičových laserů s tzv. externím rezonátorem (Extended Cavity Laser – ECL), který velmi účinně zužuje spektrální vyzařovací charakteristiku běžné laserové diody a současně zachovává široký rozsah dostupných vlnových délek, na které lze laser typu ECL naladit. Získali jsme tak kompaktní laditelný laserový zdroj vhodný pro spektroskopické aplikace, jehož pracovní oblast vlnových délek je určena zvolenou laserovou diodou.
Laserové systémy s laserovými diodami VCSEL, DFB a DBR. Vyvinuli jsme specializovanou elektroniku pro řízení vlnové délky komerčních laserových diod, které se vyznačují úzkým spektrálním profilem vyzařovaného světla. Jedná se o diody s vertikálním rezonátorem VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), distribuovanou zpětnou vazbou DFB (Distributed FeedBack) a distribuovaným Braggovým reflektorem DBR (Distributed Bragg Reflector). Vyzařované vlnové délky těchto diod se řídí velikostí injekčního proudu protékajícího přes polovodič a pracovní teplotou polovodiče. Řídicí elektronika je vybavena sadou signálových procesorů, které hlídají uživatelem nastavený pracovní bod laserové diody.

Kontakt: doc. Ing. Josef Lazar, Dr.
e-mail: joe@isibrno.cz, tel: +420 541 514 253
Podrobnější informace: http://www.isibrno.cz/kgs/

Téma: Výkonové ECL lasery

Výkonové ECL lasery jsou opět založeny na principu zúžení spektrální charakteristiky komerční laserové diody či pole laserových diod vnějším rezonátorem, který obsahuje selektivní zrcadlo a optickou mřížku. Pro další zúžení spektrální čáry jsme použili techniku „injection locking“ s využitím externího Ti:safírového laseru.

Realizovali jsme:

výkonový polovodičový laser typu ECL pro laserovou magnetizaci jader Xenonu s výstupním výkonem 1,5W. Takto upravený plyn funguje jako velmi účinná kontrastní látka pro magnetickou rezonanční tomografii. Podobné výkonové lasery mohou nalézt uplatnění např. jako atmosférická optická komunikační pojítka na velké vzdálenosti.

Kontakt: doc. Ing. Josef Lazar, Dr.
e-mail: joe@isibrno.cz, tel: +420 541 514 254
Podrobnější informace: http://www.isibrno.cz/kgs/

Téma: Laserové etalony optických frekvencí

Etalony optických frekvencí (vlnových délek) jsou vysoce koherentní lasery, které generují na svém výstupu laserové světlo o přesně stanovené optické frekvenci (vlnové délce). Jedná se o frekvence v řádu stovek THz, čemuž obvykle odpovídá vlnová délka 500 – 1500 nm. Tyto lasery slouží jako primární zdroje pro realizaci mezinárodní definice jednotky délky a jsou využívány metrologickými institucemi jako zdroj světla v odměřovacích laserových interferometrech. Pravidelné srovnání podnikových mechanických normálů délky, koncových měrek, s těmito systémy zajistí navázání metrologického systému podniku na primární definici jednotky délky. Přesnost a stabilita těchto laserových etalonů pak ovlivňuje celkovou měřicí schopnost sekundárních měřidel v podnikové metrologii. V ÚPT je této oblasti věnována dlouhodobě mimořádná pozornost a byla zde vyvinuta technologie výroby několika typů těchto laserových etalonů optických frekvencí.

Příklady realizovaných systémů:

He-Ne stabilizovaný laser na vlnové délce 633 nm. He-Ne laser se stabilizací optické frekvence, sestrojený v ÚPT, patří mezi základní etalony na vlnové délce 633 nm a je v současnosti používán jako národní etalon délky. Optická frekvence He-Ne laseru je stabilizovaná prostřednictvím saturované absorpce v parách jodu technikou derivační spektroskopie. Jedná se o finální výrobek ÚPT – kompaktní systém vybavený elektronikou podporující počítačové řízení. Relativní stabilita tohoto laseru je pro integrační čas 1 s na úrovni 10–11. Je využíván ke kalibraci laserů určených pro interferometrické systémy.
Nd:YAG stabilizovaný laser na vlnové délce 532 nm a 1064 nm, využívající absorpci v parách jodu. Páry molekulárního jódu jsou nejrozšířenějším absorpčním prostředím pro stabilizaci laserů ve viditelné části spektra. Nabízejí hustou síť úzkých hyperjemných přechodů s nejlepším poměrem signál/šum v okolí vlnové délky 500 nm. Jodem stabilizované Nd:YAG lasery (Nd:YAG–I2) dosahují stability optické frekvence na úrovni 10–14. ÚPT disponuje experimentálním systémem na bázi Nd:YAG laseru, který generuje stabilní optické frekvence na vlnových délkách 532 nm a 1064 nm.
Stabilizovaný systém na vlnové délce 1315 nm. Pro potřeby centra „Prague Asterix Laser System“ (PALS) jsme navrhli a realizovali stabilizovaný laser na bázi úzkospektrální DBR laserové diody, který funguje jako „Master oscillator“ na počátku zesilujícího řetězce. Jedná se o laser s optovláknovým výstupem, jehož frekvence je stabilizována pomocí lineární absorpce v parách disociovaného jodu. Detekce a řízení je plně autonomní a přístroj je ovládán několika signálovými procesory. Laser pracuje na vlnové délce 1315 nm, tedy v telekomunikačním pásmu, a může sloužit i jako etalon na této vlnové délce.
Normálový DFB laser na vlnové délce 1540 nm pro optické telekomunikace. Na objednávku Českého telekomu (v současnosti Telefonica) byl vyvinut stabilizovaný laser sloužící jako etalon optické frekvence v blízkém infračerveném (telekomunikačním) pásmu 1540 nm. Jádrem je DFB laserová dioda s vysokou koherencí. Systém pracuje se stabilizací frekvence prostřednictvím spektroskopie v acetylenu 13C2H2 a umožňuje přeladění na některou ze spektrálních čar v rozsahu spektra až 200 GHz . Systém lze použít např. pro kalibrace vlnoměrů a spektrálních analyzátorů, které slouží ke správnému nastavení přenosových kanálů pro optické komunikace s multiplexem vlnových délek, tzv. D-WDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).
Femtosekundový syntezátor optických frekvencí. V laboratořích ÚPT provozujeme dva systémy syntézy optických kmitočtů na bázi femtosekundových pulzních laserů pracujících ve viditelné a v infračervené spektrální oblasti. Optický syntezátor umožňuje přenos relativní stability kmitočtů mezi radiofrekvenční a optickou částí spektra a slouží jako reference (etalony) optických frekvencí pro metrologii, interferometrii a spektroskopii. Systémy ÚPT budou v brzké době navazovat na referenci H2 maseru se stabilitou na úrovni 10–15.

Kontakt: Ing. Ondřej Číp, Ph.D.
e-mail: ocip@isibrno.cz, tel: +420 541 514 254
Podrobnější informace: http://www.isibrno.cz/kgs/

Téma: Absorpční kyvety pro spektroskopii a optické frekvenční etalony

Absorpční kyvety slouží především pro laserovou spektroskopii plynů a využívají se jako reference ke stabilizaci optických frekvencí laserů na vybrané absorpční čáry. Technologie výroby kyvet v ÚPT je realizována ve specializované sklářské dílně a jedná se především o kusovou zakázkovou produkci pro významné národní metrologické instituty, např. PTB v Německu, NIST v USA, BIPM ve Francii atd.

Příklady a vlastnosti zhotovených kyvet:

z křemenného skla s klínovitými okny vybavenými antireflexí nebo s okny pod Brewsterovým úhlem,
plněné superčistými plyny (acetylen 13C2H2, metan, xenon, krypton) nebo nasycenými parami jodu, cesia, rubidia. Kyvety plněné jodem slouží jako reference základních normálů (vlnové) délky. Frekvenční odchylky kyvet plněných v ÚPT jsou nejmenší na světě (pod 1 kHz optického kmitočtu). Technologie ÚPT dovoluje plnit vyráběné kyvety i dalšími plyny podle konečného určení.

Kontakt: doc. Ing. Josef Lazar, Dr.
e-mail: joe@isibrno.cz, tel: +420 541 514 253
Podrobnější informace: http://www.isibrno.cz/kgs/

Téma: Laserové interferometrické měřicí systémy

Laserové interferometrické měřicí systémy využívají interference dvou a více laserových vln k odměřování neznámé vzdálenosti. Jejich využití je velmi široké a lze je použít jak k měření velmi krátkých vzdáleností v řádu milimetrů, tak i pro odměřování vzdáleností v řádech jednotek až desítek metrů. Přitom primární rozlišení měření se stále pohybuje v jednotkách až desetinách nanometru. Systémy zhotovené v ÚPT se používají

k měření polohy trojosých polohovacích stolků,
ke kalibraci stupnic celé řady typů snímačů délky,
k měření indexu lomu plynných prostředí.

Příklady aplikací:

Interferometrie pro nanometrologii. Nanometrologie je založena na zobrazování vzorků technikami sondové mikroskopie, např. mikroskopie atomárních sil (AFM). Má-li jít o měření rozměrů v nanosvětě, musí být polohování sondy mikroskopu odměřováno interferometricky s přímou návazností na základní etalon délky (stabilizovaný laser). Sestava pro měření polohy vzorku vychází z nanopolohovacího souřadnicového stolu a systému šesti interferometrů monitorujících polohu stolu ve všech stupních volnosti. Sondový mikroskop je umístěn nad vzorkem. Limity nejistoty měření jsou dané mechanickou tuhostí sestavy a vlivem změn indexu lomu vzduchu. Rozlišení interferometrů je pod 1 nm.
Přesné odměřovací systémy a komparátory. Interferometrické systémy realizované v ÚPT dovolují rozlišení až v desetinách nanometru, tedy na úrovni meziatomových vzdáleností. Praktické využití těchto metod je např. v oblasti kalibrace stupnic různých délkových snímačů, které jsou pak následně využívány v průmyslovém měření.
Měření indexu lomu plynných prostředí. V laboratořích ÚPT se také zabýváme výzkumem metod měření indexu lomu vzduchu nebo jiných plynných prostředí. K dispozici máme dva systémy pro identifikaci indexu lomu vzduchu, které lze nasadit i v dalších oblastech, např. k měření indexu lomu transparentních prostředí, kapalin i pevných látek.
Interferometrie s kompenzací vlivu indexu lomu vzduchu. Uspořádání s diferenčním měřením vzdálenosti umožňuje kompenzovat vliv změn indexu lomu vzduchu. Základem sestavy interferometru je mechanická reference s velmi malou teplotní roztažností, na kterou je fixována vlnová délka laseru prostřednictvím součtu vzdáleností odměřovaných dvěma protiběžnými interferometry.

Kontakt: Ing. Ondřej Číp, Ph.D., doc. Ing. Josef Lazar, Dr.
e-mail: ocip@isibrno.cz joe@isibrno.cz, tel: +420 541 514 254, +420 541 514 253
Podrobnější informace: http://www.isibrno.cz/kgs/

Téma: Speciální elektronika a software

Návrhy speciální elektroniky pro řízení experimentů včetně software představují významnou část aktivit výzkumného týmu. Jedná se o

nízkošumové proudové kontroléry pro laserové diody,
přesné teplotní kontroléry pro laserové diody a pro absorpční kyvety,
číslicové systémy synchronní demodulace,
karty pro digitalizaci signálů s AD a DA převodníky,
vysokonapěťové zesilovače pro piezoelektrické měniče,
kompletní detekční řetězce pro derivační i frekvenčně-modulační spektroskopii,
komunikační interface pro TCP/IP, USB a CAN sběrnice a sítě,
napájecí zdroje a fotodetektory.

Software vyvinutý v oddělení laserů ÚPT zahrnuje:

originální algoritmus pro linearizaci stupnice laserového interferometru,
komunikační server pro zpracování a přenos dat po síti TCP/IP v reálném čase,
ovladače pro prostředí LabView,
řídící software pro sběrnici CAN.