Das Technologieunternehmen Menlo Systems aus Martinsried bei München ist eine Ausgründung des Max-Planck-Institutes für Quantenoptik in Garching und wurde unter anderem vom Nobelpreisträger Prof. Dr. Theodor W. Hänsch im Jahre 2001 gegründet. Das Unternehmen forscht und entwickelt im Bereich der Quantenoptik und hat sich dabei auf hochpräzise Frequenzmessungen mittels Laserlicht spezialisiert. Die wissenschaftliche Neuentdeckung lag im Brückenschlag zwischen Radiofrequenz- und optischen Schwingungen mit Hilfe von so genannten optischen Frequenzkämmen. Dadurch erst lässt sich die Frequenz des Lichts, d. h. die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde, messen. Man vergleicht extrem präzises Licht, das vom optischen Frequenzkamm erzeugt wird, mit dem unbekannten Licht, gerade so wie man eine unbekannte Strecke mit einem präzisen Meterstab vergleicht. Blaues Licht schwingt dabei schneller als rotes Licht. Verändert also ein Lichtstrahl zum Beispiel von einem Stern seine Farbe, weil sich der Stern aufgrund eines um ihn kreisenden Planeten hin- und her bewegt, so kann man mit dieser Methode die �?nderungen im Sternenlicht vermessen und damit abschätzen, ob der Planet eine lebensfreundliche Umgebung bieten kann. Bei Menlo Systems konzentriert man sich auf fasergeleitetes Laserlicht im infraroten Spektralbereich, das unsichtbar für das menschliche Auge ist. Das Licht wird dabei in speziellen Glasfasern geleitet, die ganz besondere Eigenschaften besitzen und die Charakteristika des Laserlichts qualitativ enorm beeinflussen. So wird unerwünschtes „Rauschen“ unterdrückt und die Auswahl möglicher Laserfarben vergrößert. Menlo Systems baut vor allem den „ASTRO-Kamm“, der zur Kalibrierung der weltbesten astronomischen Spektrographen eingesetzt wird. Als Zielkunden für diese und andere Lasersysteme kommen vorwiegend wissenschaftliche Forschungsabteilungen in Frage, die zum Beispiel im Weltall befindliche Phänomene zeitlich bestimmen wollen oder hochkomplexe Forschungsaufbauten im Rahmen von Grundlagenexperimenten betreiben. So sollen die bisher verwendeten sehr genauen Zäsium-Atomuhren durch diese so genannten optischen Uhren, die nochmals viel genauer sein können, ersetzt werden. Jede dieser optischen Uhren benötigt einen optischen Frequenzkamm von Menlo Systems. Obwohl höchst präzise, sind diese Frequenzkämme leicht einzustellen und verursachen nur sehr geringe laufende Kosten. Für die Produktion eines optischen Frequenzkammes benötigt Menlo Systems im Schnitt einen Monat.
Laser für hochpräzise Zeitmessung
Um das Laserlicht für eine so hochpräzise Zeitmessung herstellen zu können, muss das Ursprungslicht, das im Oszillator erzeugt und gepuffert wird, sehr genau kontrolliert, quasi „aussortiert“, werden. Für den letztendlichen Laserstrahl werden also nur ganz bestimmte Frequenzen aus dem Licht-Spektrum genommen und über verschiedene Stufen so aufbereitet, dass das Laserlicht am Ende die benötigten Eigenschaften besitzt. Laserlicht entsteht gewöhnlich im Oszillator, wird über optische Verstärker, die von Pump-Dioden versorgt werden, verstärkt und je nach Verwendung mittels so genannter photonischer Kristallfaser in vielen Farben erzeugt, wobei die einzelnen Farben wie bei einem Kamm aufgereiht sind. Bei Fehlfunktionen müssen Lasersysteme zuverlässig abgeschaltet bzw. heruntergefahren werden. Dies schreiben unter anderem die Laserschutzrichtlinien vor. Beim erneuten Neustart des Systems dürfen in der Startphase keine unkontrollierten Laserstrahlen im System umlaufen oder sogar das System verlassen. Richtig gefährlich ist vor allem das gebündelte Laserlicht am Ausgang des optischen Verstärkers. Dort kann der Lichtstrahl mehrere Gigawatt pro Quadratmeter erreichen. Dieser Leistungsdichte können viele Materialien nicht mehr widerstehen - sie verdampfen. Für das menschliche Auge ist das sehr gefährlich, insbesondere auch, da das Laserlicht im infraroten Lichtspektrum für das menschliche Auge nicht erkennbar ist. Man kann dem Strahl also nicht einfach ausweichen. Ein zuverlässiges Schließsystem, das diese Anforderungen und Probleme löst, wurde nun in Kooperation mit Red Magnetics, dem Spezialisten im Bereich Linearmagnet, neu entwickelt.
Projekt „Interne hochpräzise Shutterlösung“
Mehrere Anbieter stellen dem Forscher diverse optische Verschlüsse, so genannte Shutter, zur Verfügung. Meist sind es externe Hochleistungs-Shutter, die große Durchmesser schließen und öffnen und preislich zwischen 350 und mehreren Tausend Euro liegen. Ein kompakter und vor allem langlebiger interner Shutter war bisher nicht verfügbar, und man musste sich jahrelang mit Behelfslösungen zufrieden geben, wie beispielsweise einem offenen elektromechanischen Relais an dessen Wippe eine Rasierklinge befestigt war und mittels Relaisschaltung das circa 1 mm Durchmesser umfassende Laserlicht unterbrechen konnte. Diese Lösungen waren trotz ihrer primitiven Bauart recht teuer und dazu noch äußerst anfällig.Der gelernter Physiker und Ingenieur Dr. Christian Buggle zeichnet im Hause Menlo Systems für die Neuentwicklung eines kompakten Shutters verantwortlich. Er hatte in seiner Forschungstätigkeit in Paris bereits erste positive Erfahrung mit Elektromagneten sammeln können. Daher stand als Aktor nach kurzer Recherche ein Linearmagnet fest. Dieser sollte möglichst klein, schnell, zuverlässig, preisgünstig und auch mit geringer Stromaufnahme funktionsfähig bleiben. Das Team um Dr. Buggle hat sich intensiv mit Linearmagneten der großen Distributoren und Hersteller beschäftigt und stieß letztendlich auf einen sehr kompakten Elektromagneten aus dem Hause Red Magnetics, dem ITS-LS-1110B-D in 3-Volt-Ausführung. Dies war der kleinste am Markt verfügbare Linearmagnet mit entsprechender Krafterzeugung. Ein Shutter ist nach dem Oszillator und vor dem Pump-Dioden-Verstärker eingebaut und verhindert, dass beim Herunterfahren beziehungsweise Neustart des Gerätes unkontrollierte Laserstrahlen entweichen. Diese könnten sonst die empfindlichen elektronischen Bauteile irreversibel zerstören. Meist wird auch noch nach dem photonischen Kristall ein zweiter Shutter eingebaut, um beim unerlaubten Öffnen des Gerätes das menschliche Auge zu schützen, das nachhaltige Schädigungen erleiden könnte. Dr. Buggle hat mit den von Red Magnetics zur Verfügung gestellten Datenblättern ein dreidimensionales Hüllmodell erstellt, um das herum die weiteren Bauteile per CAD-Zeichnung angegliedert werden konnten. Somit konnte die Applikation sehr schnell an Form gewinnen. Von der Idee bis zum fertigen Produkt waren es nun nur noch wenige Schritte. Das Entwickler-Team, das aus Vertretern von Menlo Systems und RED Magnetics bestand, hat sehr eng kooperiert. Die ersten „Handmuster“ hat man ausgiebig getestet und weiter optimiert. Die fertige Shutter-Applikation wird seit 2011 in kleinen Stückzahlen von Hand zusammengebaut.In dieser Zeit wurden die Laufbleche, die Zwangsführung und die Verwindesteifigkeit weiter verbessert. Die verwendete 3-Volt-Linearmagnet-Version ITS-LS-1110B-D wird in Absprache mit Red Magnetics außerhalb der Datenblatt-Angaben betrieben. So wird der Magnet beim Öffnen mit einem extremen Strom-Peak „überbestromt“, um so noch schneller reagieren zu können, als das Datenblatt es vorgibt. Dies führt zu einer Verschlusszeit von nur 10 ms. Danach wird der Linearmagnet in der eingenommenen Position (offen) mit nur mehr 50 Prozent der Stromleistung, die laut Datenblatt vorgegeben wird, gehalten. Diese geringe Stromaufnahme führt zu einer sehr geringen Hitzeentwicklung und geringem Stromverbrauch. Gerade die Temperatur ist sehr kritisch in Lasersystemen, sie wird aktiv stabilisiert. Jede weitere Wärmequelle muss daher konsequent verhindert werden. Das Gehäuse des Shutters besteht aus schwarz eloxiertem Aluminium. Diese aus einem Aluminiumblock gefräste Form hat zwei Vorteile: Zum einen weniger Gewicht, zum anderen ist sie nicht magnetisch, so dass keine Systembeeinträchtigung zu befürchten ist.
Kompakte Bauform für universellen Einsatz
Die von Menlo Systems entwickelten Lasersysteme zeichnen sich vor allem durch eine sehr kompakte Bauform aus. Daher war es zwingend notwendig den kleinsten am Markt verfügbaren Linearmagneten für die Shutter-Lösung zu finden. Insgesamt misst das Shutter-Modul 20 mm x 40 mm bei einer Bauhöhe von nur 5 mm. Dank dieser kompakten Bauform und der stabilen Ausführung ist der Menlo-Shutter universell einsetzbar. Da in manchen Systemen auch zwei Shutter verarbeitet werden, ist die Bauform sehr entscheidend, vor allem da es sich um eine interne Anwendung handelt. Bei externen Shutter-Lösungen zu Forschungszwecken in Aufbauten auf Experimentiertischen spielen die Abmessungen meist keine Rolle. Jedoch eignet sich das interne Menlo-Shutter-System ohne Weiteres auch für den externen Aufbau. Die nun vorliegende Shutter-Lösung ist das derzeit einzige integrierte System, das kompakt, zuverlässig, effizient und darüber hinaus günstiger ist als alle bisherigen Alternativen. Die Herstellungsqualität der Shutter wird im Hause Menlo Systems laufend mit einem speziell entwickelten Shutter-Prüfstand gewährleistet, an dem jeder Shutter eine definierte Zahl von Schaltzyklen ohne Fehler durchlaufen muss.
