Forschungsprojekt: Breitbandiger Quanten- µm -Synthesizer für ultraschnelle Quanten- µm -Photonik (BQS)

Das Projekt „Broadband Quant µm Synthesizer“ (BQS) ist eine britisch-kanadische Kooperation zur Weiterentwicklung der ultraschnellen Quanten- µm -Photonik. Gefördert von Innovate UK mit 450.000 £, startete das Projekt im September 2023 und läuft über zwei Jahre. Ziel ist die Entwicklung der weltweit ersten kompakten Quelle für ultrabreitbandige gequetschte Lichtimpulse – ein unverzichtbares Werkzeug für die Quanten µm Technologien der nächsten Generation in den Bereichen Sensorik, Kommunikation und Bildgebung.

Das BQS-Projekt nutzt komplementäres Fachwissen aus Großbritannien und Kanada:

• Few-Cycle Inc. stellt die FOPA-Kernplattform (Fourier-Plane Optical Parametric Amplification) bereit und wird das Projekt sowie die Systemintegration leiten.
• Covesion steuert seine fortschrittlichen Kompetenzen im Bereich kundenspezifisch entwickelter PPLN-Kristalle mit räumlich variierenden Polungsperioden bei, die für die Phasenanpassung in der Fourier-Ebene von entscheidender Bedeutung sind.
• Die Universität Glasgow und NRC Canada werden das System gemeinsam entwickeln und in hochmodernen Experimenten wie der quantenmechanischen µm verstärkten Erzeugung hoher Harmonischer und der Frequenzkonversion von gequetschtem Licht validieren.

Kernstück der BQS-Initiative ist die Entwicklung gequetschter Lichtimpulse mit einer Dauer von unter 100 Femtosekunden (fs), idealerweise nur 40 fs, die eine Rauschunterdrückung von über 3 dB im µm ermöglichen. Diese „gequetschten“ Lichtzustände sind verschränkte Photonenfelder, die klassisches Licht hinsichtlich Empfindlichkeit und Informationskapazität übertreffen. Sie bilden die Grundlage der µm -Metrologie und ermöglichen Messungen mit beispielloser Präzision in Spektroskopie, Mikroskopie und Bildgebung. Zudem sind sie entscheidend für µm Kommunikations- und Rechensysteme.

Obwohl sich mit kontinuierlichen Wellen oder langen Pulsen hohe Quetschungsgrade (>15 dB) erzielen lassen, existiert derzeit keine praktikable Lösung zur Erzeugung breitbandigen, stark gequetschten Lichts in ultraschnellen Zeiträumen. Dies stellt eine wesentliche Einschränkung für fortgeschrittene Anwendungen im µm dar, insbesondere in der Biobildgebung, wo biologische Prozesse im Femtosekundenbereich ablaufen. Das BQS-Projekt zielt darauf ab, diese Lücke mit einer kompakten und zuverlässigen Lichtquelle zu schließen.

Das BQS-System basiert auf einem innovativen Ansatz, der als Fourier-Ebenen-nichtlineare Optik bekannt ist. Diese patentierte und exklusiv an Few-Cycle Inc. lizenzierte Technik (US-Patent 9,910,339) überwindet den seit Langem bestehenden Zielkonflikt zwischen Verstärkung und Bandbreite, der den Fortschritt bei der Erzeugung ultraschneller gequetschter Lichtimpulse behindert hat. In diesem System werden ultrabreitbandige Impulse spektral in der Fourier-Ebene eines Impulsformers zerlegt. Jede schmalbandige Spektralscheibe wird einzeln in einem räumlich gemultiplexten nichtlinearen Kristall verstärkt, genauer gesagt in periodisch gepolten Lithium- µm Niobat-Kristallen (PPLN) von Covesion. Diese Scheiben werden anschließend rekombiniert, wodurch ein kurzer, stark gequetschter Impuls über eine große Bandbreite entsteht (Ziel: >100 nm, in zukünftigen Prototypen bis zu 300 nm).

Diese Architektur ermöglicht die phasenangepasste, unabhängige Manipulation jeder Frequenzkomponente, wodurch die Einschränkungen herkömmlicher parametrischer Verstärkungstechniken umgangen werden und die Erzeugung gequetschter Pulse mit einer Dauer unter 100 fs, die potenziell 40 fs erreichen können µm ermöglicht wird.

Die erfolgreiche Entwicklung des BQS-Systems wird einen wesentlichen Baustein für die kontinuierliche variable µm im Mikrometerbereich liefern – ein Gebiet, in dem die makroskopische Verschränkung von Milliarden von Photonen die Grundlage für die empfindlichsten Messungen bildet, die wir heute kennen. Zu den Anwendungsgebieten gehören:

• Quant µm -verstärkte nichtlineare Mikroskopie, die die Detektion schwacher biologischer Signale mit höherer Präzision ermöglicht.
• Sichere Kommunikation durch Einbettung von gequetschtem Licht in quantenmechanische µm Schlüsselverteilungssysteme.
• Quantitative µm Berechnungen, insbesondere in Architekturen, die kontinuierliche Zustandsvariablen nutzen.
• Quant µm -Spektroskopie, die Zugang zu ultraschneller Molekulardynamik mit bisher unerreichter Auflösung bietet.

Das System wird auch für die quantitative µm -Attosekundenspektroskopie validiert, einem neu entstehenden Gebiet, das gequetschte Pulse mit extremer zeitlicher und spektraler Präzision erfordert.

Die BQS-Plattform wird drei primäre kommerzielle Ergebnisse liefern:

1. Ein eigenständiger Quant- µm Synthesizer für Forschungs- und Industrielabore.
2. Ein optischer parametrischer Verstärker der nächsten Generation für Mikroskopie und Materialbearbeitung.
3. Subkomponenten wie beispielsweise PPLN-Fan-Out-Kristalle erweitern die Produktpalette von Covesion für die globale QT-Lieferkette.

Darüber hinaus wird erwartet, dass das Projekt neue geistige Eigentumsrechte (IP) und Leistungsdaten generiert und damit die Grundlage für zukünftige Produkte und den Markteintritt schafft.

Das BQS-Projekt verkörpert den Geist der bilateralen Zusammenarbeit zwischen Großbritannien und Kanada im Bereich der µm . Mit Förderzusagen von Regierung und Industrie in Höhe von über einer Milliarde Pfund Sterling zur Unterstützung der Zusammenarbeit im Bereich der µm unterstützt das Projekt das strategische Ziel, µm auf diesem Gebiet in praxisnahe und zugängliche Werkzeuge zu überführen. Durch die Bündelung von Expertise aus Wissenschaft und Industrie schafft das Projekt die Grundlage für skalierbare photonische µm und erweitert die Grenzen des Machbaren in den Bereichen Sensorik, Kommunikation und biologische Bildgebung.