SPIE Photonics West: Fraunhofer IOF präsentiert Zukunftstechnologien aus den Bereichen Quanten, Laser und Freiformoptiken

Jena / San Francisco, online / 02. März 2021

Ionenfallen für Quantencomputer, hochsichere Quantenkommunikation, modernste Faserlaser und Freiformen für kompakte, optische Systeme: Auf Nordamerikas größter Photonikmesse, der SPIE Photonics West, präsentiert das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF vom 6. bis 11. März wegweisende Zukunftstechnologien. Der Eintritt ist frei.

Wenn im März wieder die gesamte Optik- und Photonikwelt gespannt nach San Francisco schaut, dann hat das einen guten Grund: Dort findet nämlich traditionell Nordamerikas größte Photonikmesse statt, die SPIE Photonics West. In diesem Jahr wird die Messe als rein virtuelles Format umgesetzt. Nichts destotrotz präsentieren über 300 internationale Aussteller neueste state-of-the-art-Entwicklungen aus der Welt des Lichts und der Photonik. Auch das Fraunhofer IOF gibt virtuelle Einblicke in vier seiner derzeit größten Forschungsfelder.

Ionenfallen für den Quantencomputer

Der Quantencomputer ist in aller Munde. Basierend auf den Gesetzen der Quantenphysik wird er ein neues Computerzeitalter einläuten. Auch am Fraunhofer IOF wird intensiv im Bereich Quanten Computing geforscht: Forscherinnen und Forscher entwickeln derzeit einen laseroptischen Aufbau, der die Manipulation von Ionen in einer Ionenfalle für Quantencomputer ermöglicht. Dort werden Ionen mittels elektrischer Felder eingefangen. Die somit isoliert gehaltenen Ionen werden durch Laserstrahlen manipuliert und zur Speicherung von Quanteninformationen genutzt. Sein Know-how in Sachen Ionenfallen stellte das Fraunhofer IOF bereits der Universität Innsbruck für das Projekt »AQTION«, einem Bestandteil des Quanten-Flaggschiff-Programms der Europäischen Union, zur Verfügung.

 

Nahaufnahme der laserbasierten Adressieroptik.
© Fraunhofer IOF
Mit der Entwicklung von laserbasierten Adressieroptik beteiligte sich das Fraunhofer IOF am Quantencomputer »AQTION«, einem Bestandteil des Quanten-Flaggschiff-Programms der EU.

Quantenschlüssel für die hochsichere Kommunikation

Ist der Quantencomputer dann erst einmal da, wird er unser Leben in vielerlei Hinsicht verändern. Insbesondere in der Kommunikation. Quantencomputer können deutlich komplexere Aufgaben lösen als konventionelle Rechner. Und sie werden Verfahren, mit denen wir sensible Informationen heute noch verschlüsseln, knacken können. Schon jetzt sind neue Kommunikationssysteme nötig, die sensible Daten vor Technologien der Zukunft schützen können.

Am Fraunhofer IOF wird daher an der sogenannten »Quanten Key Distribution« (kurz: QKD) geforscht. Sie erlaubt die quantenbasierte Verschlüsselung unserer Daten und gewährt damit eine Langzeitsicherheit auch vor dem Hintergrund neuester Entwicklungen. Eine am Institut entwickelte Photonenquelle zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare (auch EPS genannt, für »Entangled Photon Source«) ist eine mögliche technische Grundlage der QKD.

 

Detailaufnahme der Photonenpaarquelle.
© Fraunhofer IOF
Eine am Fraunhofer IOF entwickelte Photonenquelle zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare ist eine mögliche technische Grundlage für den Quantenschlüsselaustausch

Faserlaser und Preformen für hocheffiziente Laseranwendungen

Der Laser ist ein wichtiger Informations- und Energieträger, verschleißfreies Werkzeug und berührungsloses Messinstrument mit vielfältigen Einsatzfeldern in Wirtschaft und Wissenschaft. Dem Fraunhofer IOF ist es in den vergangenen Jahrzehnten immer wieder gelungen, die Leistung von Hochleistungsfaserlasern auf ein neues Rekordniveau zu heben, zuletzt durch eine kohärente Kombination von Laserstrahlen zur Entwicklung eines neuartigen 10 kW Femtosekunden-Lasersystems. Auch befindet sich mit dem dreistufigen LIDAR Lasersystem aus dem »LiQuarD« Projekt erstmalig ein leistungsstarker Laser im All, der je nach Reflexionsgrad an der Zieloberfläche, eine Reichweite von mehreren Kilometern erreicht und somit zur Ortung von Weltraumschrott zur Anwendung kommt. Seit vielen Jahren wird am Fraunhofer IOF überdies die Technologie zur Faser-Preform-Herstellung ausgebaut, um durch innovative, neue Faserdesigns die bestehenden Limitierungen immer weiter zu verschieben und zu überwinden.

Durch die Möglichkeit, Fasern im eigenen Haus herzustellen, können diese bedarfsgerecht entwickelt werden: von kW-Lasern über weltraumtaugliche Systeme bis hin zu mikro- und nanostrukturierten Groß-, Hohl- und Mehrkernfasern für Sensorik und Kommunikation. Auf diese Weise werden deutliche Fortschritte in der Fasertechnologie erzielt. Im Rahmen öffentlich geförderter Verbundprojekte kann das Faserkompetenzzentrum auch von externen Partnern des Fraunhofer IOF genutzt werden.

 

Brenner hitzen die Preform für Faserdesigns vor.
© Fraunhofer IOF
Durch Vorformen für aktive Laserfasern werden immer neue, innovative Faserdesigns möglich, die die Limitierungen bestehender Faserlaser überwinden können.

Freiformoptiken für kompaktere optische Systeme

Optische Systeme kommen häufig dort zum Einsatz, wo es nur wenig Platz für große Bauteile gibt. In der Luft- und Raumfahrt zum Beispiel sind kompakte Bauweisen essenziell. Freiformoptiken und additive Fertigungsweisen mittels selektiven Laserschmelzens sind hier zukunftsweisende Lösungen. Sie erlauben es, komplexe optische Systeme kleiner, leichter und funktionaler zu gestalten. Einzigartig ist die am Fraunhofer IOF geschlossene Fertigungskette zur Herstellung ultrapräziser Metalloptiken für spektral breitbandige Anwendungen auf Komponenten- und Systemlevel in den Bereichen IR-NIR-VIS-UV-EUV. Anwendung finden optische Freiformen unter anderem in Spiegelteleskopen und Projektionssystemen. Für den Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS wurde etwa das DLR-Instrument DESIS (»Earth Sensing Imaging Spectrometer«) auf Basis einer athermalen, freiformbasierten Optik aus Three-Mirror-Anastigmat (TMA) Teleskop und Spektrometer realisiert.

Das Fraunhofer IOF bringt seine Expertise überdies im Rahmen des innovativen regionalen Wachstumskerns ƒo⁺ (»freeform optics plus«) in die derzeitigen Entwicklungen von Freiformoptiken für UV-VIS-Anwendungen mit dem Fokus auf hohen Stückzahlen und für einen breiten Anwendungsbereich wie beispielweise zur Lasermaterialbearbeitung, für Machine Vision und Automotive Sensing ein. Das Bündnis entwickelt Technologien in allen Wertschöpfungsstufen, um qualitativ hochwertige und effizient herstellbare freiformoptische Systeme für nationale und internationale Kunden zu realisieren.

Verschiedene Freiform-Spiegel in Leichtbauweise für die Raumfahrt.
© Fraunhofer IOF
Freiformoptiken sind besonders für optische Systeme in der Luft- und Raumfahrt geeignet – hier z. B. bei einem Spiegelteleskop