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Züchtung per Laser

Laser schaffen robuste Mini-Strahlquellen für die Quantentechnologie

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Fraunhofer-Institut für Lasertechnik
Renishaw GmbH
G+K Umformtechnik GmbH
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Die gewünschte Kristallzüchtung gelingt per Lasertechnik

Die Projektbeteiligten Surfacenet, Laserline und das ILT haben in einem Teipprojekt dann eine neue Anlage entwickelt und gebaut, in der (TbxLu1-x)2O3-Isolator-Kristalle im so genannten laserbasierten optischen „Floating Zone“-Verfahren (LOFZ) heranwachsen können. Der Übergang von der geschmolzenen Keramik zum Kristall findet dabei am Rand der Floating Zone statt, auf die rundum vier Bearbeitungsoptiken gerichtet sind, welche die Strahlung von vier Diodenlasern mit je drei Kilowatt maximaler optischer Leistung auf den keramischen Nährstab lenken, um ihn zum Einkristall umzuschmelzen, so die weiteren Erklärungen. Die in Simulationen optimierte Bestrahlung mit trapezförmigen und äußerst homogenen Strahlprofilen gewährleistet dabei die gleichmäßige Heizleistungsdichte in der Floating-Zone. Das Team konnte diese Anforderung mithilfe des präzise gesteuerten LOFZ-Verfahren erfüllen. Die (TbxLu1-x)2O3-Isolator-Kristalle konnten damit erstmals in der geforderten Größe und Qualität hergestellt werden, wie man nicht ohne Stolz berichtet.

Laserinduziertes Ätzen hilft dem Ganzen weiter

Die neuen Isolator-Kristalle hat das Konsortium in einem weiteren Teilprojekt in modulare miniaturisierte Strahlquellen integriert. Auch hierzu habe das ILT-Know-how maßgeblich beigetragen. Denn es hat einen individuell an verschiedene Systemauslegungen adaptierbaren Faser-Chip-Koppler konstruiert und diesen aus Glas gefertigt. Die nötige Flexibilität und Präzision erreichte man mithilfe des selektiven Laserinduzierten Ätzens (SLE). Ein Laser belichtet dabei Mikrostrukturen in Glas, die sich danach präzise herausätzen lassen, so die Beschreibung. Das ermögliche es, auch komplex geformte Hohlräume im Innern von Glas zu erzeugen. Im war diese individuelle Formgebung des SLE-Verfahrens der Schlüssel dazu, beide Strahlquellen mit Wellenlängen von 461 Nanometern (blau) und 637 Nanometern (rot) jeweils monolithisch fertigen zu können – und das, obwohl Komponenten unterschiedlicher Abmessungen darin verbaut sind. Der SLE-Prozess gewährleistet dazu die äußerst exakte Einpassung der jeweils unterschiedlichen Module beider Demonstratoren.

Das Fazit zum Projekt „HiPEQ“:

Mit der erfolgreichen Züchtung dieser Isolator-Kristalle, der optimierten Prozessstrategie für die SLE-basierte Optikfertigung und der Direktintegration der mikroskopischen Kopplungsstrukturen ins makroskopische Gehäuse hat man also wichtige Meilensteine erreicht. Das Konsortium hat das nötige Know-how geschaffen, um flexible Systemauslegungen mit verschiedenen Isolatoren mit deutlich reduziertem Montage- und Justage-Aufwand umset-zen zu können. Auf dieser Basis könnten die gläsernen Packaging-Module für flexible Systemauslegungen künftig im SLE-Prozess in nur Tagen mikrometergenau hergestellt werden. Die neuartigen Faraday-Isolatoren sind außerdem ein Schlüssel für die weitere Miniaturisierung im Rahmen von Quantentechnikanwendungen. (Das Projekt wurde mit 6,22 Millionen Euro vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert).

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