Laserstrahlverdampfungsanlage
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit Hilfe der Laserstrahlverdampfungsanlage können grundsätzlich dünne Filme aus verschiedensten Materialien (Metalle, Polymere, Gläser und Kristalle) auf einem Substrat abgeschieden werden. Dabei lässt sich letzteres bis auf 1000 °C heizen und verschiedenen Atmosphärenbedingungen aussetzen, um ein möglichst gutes Wachstum der Materialien zu erreichen. Drei Anwendungsbeispiele des Systems sind im Folgenden etwas näher ausgeführt: Kalium-Tantalat-Niobat-Mischkristalle (KTN) zeigen in der Nähe der Raumtemperatur einen strukturellen Phasenübergang. In dessen Umgebung steigt die statische Dielektrizitätskonstante um das Tausendfache und wachsen die elektrooptischen Koeffizienten um das Hundertfache. Deshalb sind diese Kristalle eine sehr vielversprechende Basis für elektrooptische Modulatoren und Laser-Scanner. Volumenkristalle sind jedoch kaum verfügbar und sehr teuer. Auch benötigen wir für unsere Mikrosysteme dünne Kristallfilme, die aus dem empfindlichen Volumenmaterial nur schwerlich herzustellen sind. Daher haben wir für die Realisierung chip-integrierter Bauelemente mikrometer-dünne KTN-Schichten mit der Laserstrahlverdampfungsanlage hergestellt. Dabei erreichen wir bezüglich der Zusammensetzung als auch der kristallographischen Orientierung die angestrebten Werte zuverlässig. Allerdings sind die einkristallinen Bereiche noch unbefriedigend klein, auch wenn wir den publizierten Stand der Wissenschaft schon übertreffen. An einer Verbesserung arbeiten wir intensiv. Flüstergalerieresonatoren sind (sub)millimetergroße Scheiben oder Ringe aus einem optisch transparenten Material. In ihnen wird das Licht durch Totalreflexion am Rand entlanggeführt. Die geringen Verluste ermöglichen bis zu 10 Millionen Umläufe für das Licht und damit eine millionenfache Leistungserhöhung. Dadurch lassen sich effiziente miniaturisierte optische Frequenzkonverter schon bei Eingangsleistungen unter einem Milliwatt realisieren. Um den Aufbau noch kompakter und einfacher zu gestalten, haben wir die Laserstrahlverdampfungsanlage dafür eingesetzt, laseraktive Ionen auf den Rand des Resonators aufzubringen und danach einige Mikrometer tief in das Material einzudiffundieren. Damit wollen wir erreichen, dass das millimetergroße Gesamtsystem Laser/Frequenzkonverter mit einer kostengünstigen Lichtquelle, z. B. einer LED oder einer breitbandigen Laserdiode, gepumpt werden kann. Perspektivisch werden wir auf Resonatoren, die aus einem Substratmaterial hergestellt wurden, mittels der Laserstrahlverdampfungsanlage laseraktive und nichtlinear-optische Schichten wachsen. Lithiumniobatkristalle zeigen eine Vielzahl physikalischer Effekte. Sie sind z. B. elektrooptisch, pyroelektrisch, ferroelektrisch und optisch nichtlinear. Mit Ihnen lassen sich deshalb Modulatoren, Sensoren oder optische Frequenzkonverter realisieren. Für optische Anwendungen sind die Verluste (Absorption und Streuung), die das Licht bei der Propagation durch das Material erfährt, von entscheidender Bedeutung. Bei unseren Untersuchungen hat sich gezeigt, dass in Lithiumniobat-Kristallen Restverunreinigungen mit Eisen, Kupfer und Wasserstoff bei der Herstellung auftreten. Eisen und Wasserstoff können mit einer geeigneten Wärmebehandlung unschädlich gemacht werden. Das Eisen wird dabei reduziert und der Wasserstoff ausgeheizt. Die Laserstrahlverdampfungsanlage wurde hier eingesetzt, um verschiedene Temperaturrampen und unterschiedliche Atmosphärenzusammensetzungen zu realisieren und Test-Dotierungen einzubringen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Influence of dry-oxygen-annealing on the residual absorption of lithium niobate crystals in the spectral range from 500 to 2900 nanometers”, Opt. Mater. Express 6, 264 (2016)
M. Leidinger, K. Buse, I. Breunig
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OME.6.000264) - “Pseudo-Type-II tuning behavior and mode identification in whispering gallery optical parametric oscillators”, Opt. Express 24, 15137 (2016)
S.-K. Meisenheimer, J. U. Fürst, A. Schiller, F. Holderied, K. Buse, I. Breunig
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.24.015137) - Giant and accessible conductivity of charged domain walls in lithium niobate
C. S. Werner, S. J. Herr, K. Buse, B. Sturman, E. Soergel, C. Razzaghi, I. Breunig
