11 Sep Nachwuchsforscher für praxisnahe Arbeit ausgezeichnet
Um Lichtpulse mit Pulsdauern bis in den Nano- oder Pikosekundenbereich zu charakterisieren, wurden bisher schnelle Fotodioden eingesetzt, deren Signale mit Oszilloskopen bis in den Nanosekundenbereich gemessen wurden. Das Grundrauschen eines jeden Oszilloskops verzerrt jedoch diese Messergebnisse. Besser geeignet ist die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung. Die Idee dieses Verfahrens ist nicht neu, war aber lange nur mit relativ sperriger Hardware mit großem Leistungsbedarf möglich.
Für die Entwicklung eines kostengünstigen Systems zur Messung von Lichtpulsen mit einer Auflösung von 20 Pikosekunden erhielt der Ingenieurinformatiker Jakob Hampel nun den Silicon Science Award 2023, der vom Verein zur Förderung von Wissenschaft, Forschung und Innovation CiS und dem CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik ausgelobt wird. Der Preis würdigt anspruchsvolle und auf sehr hohem Niveau ausgeführte Forschungsarbeit mit sehr hohem praktischem Nutzen. Hampel wurde für seine Masterarbeit ‚Zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung zur Zeitbereichscharakterisierung von Hochgeschwindigkeitslichtquellen mittels konfigurierbarer Logikbausteine‘ ausgezeichnet, die von der IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme und der TU Ilmenau betreut wurde. Die Ergebnisse fließen laut den Forschern am IMMS bereits in Anwendungsentwicklungen für Point-of-Care-Geräte ein, die besonders empfindliche Analysen für medizinische und biochemische Untersuchungen ermöglichen sollen. Zudem ist die entwickelte Hardware-Software-Auswerteeinheit zur Bestimmung von Impulsantworten schneller Lichtquellen ein wichtiger Beitrag zur Erforschung von Quantentechnologien im Projekt QuantumHub Thüringen.
Schnelle Lichtimpulse charakterisieren
„Für viele Anwendungen werden schnelle Lichtimpulse benötigt, oft bis in den Nano- oder Pikosekundenbereich“, erklärt Hampel. Ein Beispiel sei fluoreszenzbasierte Bioanalytik-Verfahren in der Medizintechnik. Lichtquellen, die diese Impulse wie die für eine Fluoreszenz erzeugen, seien daher zu charakterisieren. Nur so könne die Reaktion eines optischen Systems zuverlässig bewertet werden, so Hampel weiter. Die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung funktioniert anders: „Stark vereinfacht gesagt, wird die Lichtquelle angeregt, um dann die einzelnen Photonen und die zeitlichen Verzögerungen der Impulsantworten zu betrachten. Diese werden durch wiederholte Anregung und statistische Bewertung der Ergebnisse hunderttausend- bis millionenfacher Messungen zu einem Histogramm angehäuft. Dieses beschreibt dann das Verhalten der Lichtquelle über die Zeit.“
Forschungsergebnis ist ein handflächengroßes USB-Gerät
In seiner Masterarbeit hat Hampel die Hardwarebeschreibung sowie die Auslesesoftware zur Umsetzung der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung durch einen konfigurierbaren Logikbaustein entwickelt. Zusammen mit einer Single‑Photon Avalanche Diode (SPAD) als Lichtsensor und weiteren am IMMS realisierten analogen Komponenten hat er damit ein kostengünstiges System aufgebaut, das Lichtimpulse mit einer Auflösung von 20 Pikosekunden genau messen kann und in ein nur 100 mm × 25 mm kleines Rohr passen soll. „Jakob Hampel hat das Aufkommen kommerziell erhältlicher halbleiterbasierter Einzelphotonendetektoren in den letzten Jahren sowie die immer leistungsfähigeren konfigurierbaren Logikbausteine gezielt dafür genutzt, um in seiner Arbeit aktuelle Forschungsfragen an immer empfindlicheren Sensorsystemen in vorbildlicher Weise zu adressieren,“ sagt Professor Hannes Töpfer, Dekan der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik und Betreuer von Jakob Hampels Masterarbeit.
Das Bild zeigt die Vorarbeiten des im Jahr 2021 gestarteten Projekts eFluoResYst für einen Teststand zur Einzelphotonendetektion mit Messkammer für Fluoreszenzfarbstoffe. Bild: IMMS
Messsystem für die Erforschung von Quantentechnologien
Die Relevanz seiner Arbeit zeigt sich auch darin, dass sie bereits in Weiterentwicklungen, wie die zur Erforschung von Quantentechnologien im Projekt QuantumHub Thüringen, gemündet ist. Dort geht es am IMMS unter anderem darum, halbleiterbasierte Einzelphotonendetektoren für den Einsatz in Quantenkommunikationssystemen zu charakterisieren.
„Die Arbeit von Herrn Hampel ist nicht nur auf fachlicher Ebene hervorzuheben“, lautet das Fazit seines Betreuers Professor Töpfer,. „Sie illustriert auch eindrucksvoll, wie der theoretisch fundierten Ausbildung an der TU Ilmenau mit praxisorientierten Betreuungsangeboten wie denen am IMMS eine beachtliche Schlagkraft verliehen wird. Mit dieser lassen sich nicht nur Forschungsergebnisse in die Praxis transferieren, sondern auch der Nachwuchs hervorragend mit all dem notwendigen Rüstzeug für die Innovationen von morgen fördern.“
Weitere Informationen zum Silicon Science Award
Quelle und Bild: www.imms.de
