Züchtung per Laser Laser schaffen robuste Mini-Strahlquellen für die Quantentechnologie

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Partner aus Industrie und Forschung haben im Projekt „HiPEQ“ Neues entwickelt, um miniaturisierte robuste Strahlquellen für die Quantentechnologie herzustellen, so das Fraunhofer ILT.

Noch sind Strahlquellen für quantentechnische Anwendungen recht komplex, relativ groß und zu labil für den Einsatz im „Feld“, sagen die Forscher vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) aus Aachen. Diese drei Nachteile müssen also aus der Welt geschafft werden, um die Quantentechnik zu optimieren. Und eine solche Strahlquelle hat man im Rahmen des BMFTR-Förderprojekts „HiPEQ – Hoch-integrierte PIC-basierte ECDLs für die Quantentechnologie“ entwickeln können, wie die Forscher betonen. Unter anderem gelang es mithilfe von Lasern neuartige Isolatorkristalle zu züchten. Das Fraunhofer ILT konnte demnach maßgeblich dazu beigetragen. Koordiniert vom späteren Systemintegrator Toptica hat ein Konsortium aus Industrie und Forschung auch Demonstratoren von zwei miniaturisierten Strahlquellen aufgebaut. Bei nur 22 × 9 × 6 Zentimeter Außenmaß böten sie Raum für alle Systemkomponenten. Das Konzept sei außerdem auf diverse Wellenlängen erweiterbar. Die Neulinge sind folglich für ein breites Spektrum an quantentechnologischen Anwendungen einsetzbar.

Optische Isolatoren sind der Schlüsselfaktor

Das Fraunhofer ILT konnte dabei maßgeblich zur erfolgreichen Zucht bisher nicht verfügbarer Kristalle für neuartige Faraday-Isolatoren beitragen, wie es weiter heißt. In einem zweiten Arbeitspaket haben die Aachener dann ein gläsernes Packaging-Modul mit mikrometergenauen Halterungen für wichtige Systemkomponenten und für die Faserkopplung angefertigt. Denn die Lasersysteme basieren auf photonisch integrierten Schaltkreisen (PICs), Lichtleitern, einer Faserkopplung und einem optischen Isolator, der Rückreflexe der Strahlung in den Laser abschirmt. Diese Schlüsselkomponente basiert auf diesen speziellen Kristallen, die den magnetooptischen Faraday-Effekt zeigen. Das heißt, wird ein Magnetfeld angelegt, dreht sich im Kristall die Polarisationsebene einfallender Lichtwellen. Durch diese Faraday-Rotation kann reflektiertes Licht – wenn überhaupt – dann nur extrem gedämpft zur Strahlquelle zurückgelangen. So wenden Isolatoren Schäden ab und sorgen für jene Schmalbandigkeit der Laser, die für Quantentechnologie-Anwendungen unabdingbar ist, wie die Forscher betonen.

Ein neues Material verstärkt den Farday-Effekt

Und bisher basieren Faraday-Isolatoren meist auf Terbium-Gallium-Granat (TGG), das bei sichtbarem und nah-infrarotem Licht eine hohe Verdet-Konstante aufweist. Diese steht für die Stärke des Faraday-Effekts. TGG-Isolatoren haben üblicherweise eine Länge von etwa 25 Millimetern. Für die Miniaturisierung seien aber Kristalle mit höherer Verdet-Konstante gefragt, die die nötige Abschirmung auch auf weniger Bauraum leisten könnten. Diese Kristalle für Faraday-Isolatoren hat man im Projekt aber gezüchtet und erprobt. Die Wahl fiel dabei auf ein Material, das auf dem in der Natur nicht vorkommenden Terbium-(III)-Oxid (Tb2O3) basiert, denn es hat eine dreimal höhere Verdet-Konstante als TGG und ist besonders für Laser im blauen Wellenlängenbereich geeignet, für die es bisher kein geeignetes Material gab. Doch das Material als Monokristall zu züchten, sei nicht trivial, weil bei Schmelztemperaturen jenseits von 2.500 °C dazu präzise Temperaturgradienten beim Übergang in die stabile Phase einzuhalten sind. Gemeint ist der Übergang vom geschmolzenen keramischen Ausgangsmaterial zum Tb2O3-Kristall. Dabei sind die Abkühlraten entscheidend für die Qualität des Kristalls. Dieser Prozess sei derart sensibel, dass es mit üblichen Methoden der Kristallzucht nie gelang, Tb2O3 in der gewünschten Form zu züchten.

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