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News | 31-01-2018

Faraday-Isolatoren mit stark verbesserten Eigenschaften

BMBF-Projekt IsoNova gestartet: Neue Materialien für Faraday-Isolatoren als Schlüsselkomponenten für neue Hochleistungslaser und kompakte Diodenlasersysteme

Terbium-Gallium-Granat (TGG) Rohlinge und Proben: Ein Rohlingsegment hat einen Durchmesser von ca. 50 mm. Die stab- oder quaderförmigen Proben sind typisch für die heutzutage eingesetzten optischen Isolatoren. TGG gilt als Referenzmaterial für die neuartigen Kristalle, die im IsoNova Projekt entwickelt werden. Bild: FEE GmbH

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung von Faraday-Rotatoren und -Isolatoren auf Basis neuer, innovativer Materialien.

Faraday-Isolatoren gehören zu den Schlüsselbausteinen auf dem Weg von den einzelnen Laserkomponenten zum Gesamt-Lasersystem. Das gilt vor allem in den aktuell schnell wachsenden Bereichen der leistungsstarken Ultrakurzpuls-Scheibenlaser, der Faserlaser und der zu miniaturisierenden Diodenlaser-Oszillator-Verstärker-Systeme für quantensensorische Anwendungen. Insbesondere im Bereich der 1-µm-Hochleistungslaser ist Terbium-Gallium-Granat (Tb3Ga5O12, TGG) aktuell das dominierende Material. Bereits mit den Leistungsparametern der aktuellen Laser werden jedoch die Einsatzgrenzen für TGG erreicht.

Von der Kristallzüchtung bis zum Langzeit-Belastungstest: IsoNova umfasst die gesamte Wertschöpfungskette

Eine qualitative Verbesserung und damit ein deutlicher Entwicklungsschub bei der Leistungsskalierung bzw. bei der Miniaturisierung der Lasersysteme sind daher nur von neuen Materialien zu erwarten. Ein vielversprechender Ansatz wurde 2016 mit der erstmaligen Vorstellung des Isolatormaterials Kalium-Terbium-Fluorid (KTb3F10, KTF) aufgezeigt. Neben KTF sollen im Projekt noch weitere Materialien untersucht werden, bei denen Grundlagenarbeiten eine besondere Eignung für Isolatoren erwarten las-sen. Dazu gehören Praseodym-basierte Granate, ein neues, noch proprietäres Oxid-material (KOM) sowie, speziell für den sichtbaren Spektralbereich, Cadmium-Mangan-Tellurid (CdMnTe).

Entsprechend dem Projektplan decken die Konsortialpartner IKZ, FEE, Fraunhofer IPM, TRUMPF und TOPTICA die gesamte Wertschöpfungskette von der Entwicklung der Kristallzucht bis zur Evaluierung kompletter Isolatoren im Laser-Dauertest ab: Das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ), ist eine staatliche Forschungs- und Service-Einrichtung der Leibniz-Gemeinschaft, die sich experimentell und theoretisch mit den wissenschaftlich-technischen Grundlagen des Wachstums, der Züchtung, der Bearbeitung und der physikalisch-chemischen Charakterisierung von kristallinen Festkörpern beschäftigt.

Das Forschungsinstitut für mineralische und metallische Werkstoffe -Edelsteine/Edelmetalle- GmbH (FEE) verfügt über verschiedene Czochralski-Kristallzüchtungsanlagen, mit denen Kristalle bis zu 80 mm Durchmesser und bis 350 mm Gesamtlänge gezüchtet werden können.

Am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) wird unter anderem an der Entwicklung von (laserbasierten) Verfahren für die spektroskopische Analytik und ihrem Einsatz in den Bereichen Umwelt, Energie, Medizin oder Produktion gearbeitet.

Die Trumpf Laser GmbH (TRUMPF) ist Technologie- und Marktführer bei Werkzeugmaschinen für die flexible Blechbearbeitung und bei industriellen Lasern.

TOPTICA Photonics AG (TOPTICA) ist Weltmarktführer im Bereich der wissenschaftlichen und industriellen kohärenten Lasersyteme für Anwendungen im Bereich der Quantenoptik und der hochpräzisen zerstörungsfreien Metrologie.
Durch die Wahl geeigneter Materialien und die Züchtung qualitativ hochwertiger Kristalle soll bei wesentlichen Kenngrößen (lineare und nichtlineare Absorption, Stärke der thermischen und Kerr-Linse) gegenüber den bisher kommerziell verwendeten Materialien eine Verbesserung um eine Größenordnung in Bezug auf Leistungsfestigkeit, Absorption oder Bauvolumen erreicht werden.

Die erfolgreiche Projektdurchführung wird eine Verwertung durch die Industriepartner auf verschiedenen Stufen erlauben: FEE stärkt seine Rolle als führender Hersteller von Kristallen für optische Isolatoren. Neuartige Isolatoren erlauben es TOPTICA, eine neue Generation von Lasersystemen für die Überführung quantenoptischer Anwendungen aus dem Labor in ein industrielles Umfeld zu entwickeln, wie es auch in den „Quantum Technologies“-Initiativen der EU (Quantum Manifesto) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (QUTEGA) vorgesehen ist. Für TRUMPF werden Isolatoren auf der Basis der Hochleistungsmaterialien bei der weiteren Leistungsskalierung der Ultrakurzpulslaser wirksam werden.

 

Erschienen: 31.01.2018 - VDI Technologiezentrum GmbH, Photonik Forschung Deutschland
Erstellt von: Forschungsinstitut für mineralische und metallische Werkstoffe, Edelsteine/Edelmetalle GmbH