Printre altele, s-au reușit cultivarea unor cristale izolatori inovatori cu ajutorul laserelor. Proiectul, finanțat cu 6,22 milioane € de Ministerul Federal pentru Cercetare, Tehnologie și Spațiu (BMFTR), a realizat progrese semnificative în perioada noiembrie 2021 - iulie 2025. Fraunhofer ILT din Aachen a contribuit în mod semnificativ la acest lucru.
Încă există surse de radiație pentru aplicațiile în tehnologia cuantică care sunt adesea complexe, mari și prea puțin robuste pentru utilizarea în teren. Este nevoie de sisteme miniaturizate și cât mai flexibile. O astfel de sursă de radiație a fost dezvoltată în cadrul proiectului de finanțare BMFTR „HiPEQ – ECDL-uri bazate pe PIC-uri integrate înalt pentru tehnologia cuantică”. Coordonat de viitorul integrator de sisteme TOPTICA, un consorțiu din industrie și cercetare a construit demonstratoare pentru două surse de radiație miniaturizate.
Cu dimensiuni exterioare de doar 22 x 9 x 6 cm³, oferă spațiu pentru toate componentele sistemului. Conceptul este de asemenea extensibil la alte lungimi de undă. Astfel, ele pot fi utilizate într-un spectru larg de aplicații în tehnologia cuantică.
Fraunhofer ILT a contribuit semnificativ la proiectul de creștere a cristalelor care nu erau disponibile până acum pentru izolatoarele Faraday de nouă generație. Într-un al doilea pachet de lucru, cercetătorii din Aachen au realizat un modul de ambalare din sticlă cu suporturi precise la microni pentru componentele cheie ale sistemului și pentru cuplarea fibrelor.
Compact, robust și flexibil în utilizare.
Sistemele laser se bazează pe circuite integrate fotonice (PIC), fibre optice, o cuplare de fibră și un izolator optic care protejează laserul de reflexiile radiației. Această componentă cheie se bazează pe cristale speciale care prezintă efectul Faraday magneto-optic: atunci când se aplică un câmp magnetic, planul de polarizare al undelor de lumină incidente se rotește în cristal. Prin această rotație Faraday, lumina reflectată – dacă este cazul – poate ajunge înapoi la sursa de radiație doar extrem de atenuată. În acest fel, izolatoarele previn daunele și asigură acea lățime de bandă îngustă a laserelor, esențială pentru aplicațiile în tehnologia cuantică.
Până în prezent, izolatoarele Faraday se bazează în principal pe granatul de terbiu-galium (TGG), care are o constantă Verdet ridicată pentru lumina vizibilă și cea în infraroșu apropiat; aceasta indică intensitatea efectului Faraday. „Izolatoarele TGG au de obicei o lungime de aproximativ 25 de milimetri“, raportează Florian Rackerseder, responsabilul de proiect de la Fraunhofer ILT. Pentru miniaturizare sunt necesare cristale cu o constantă Verdet mai mare, care să ofere o protecție mai bună pe un spațiu mai mic. Aceste cristale pentru izolatoarele Faraday au fost cultivate și testate în cadrul proiectului HiPEQ.
A fost alezat un material bazat pe oxidul de terbium-(III) (Tb2O3), care nu se găsește în natură.
Are o constantă Verdet de trei ori mai mare decât TGG și este deosebit de potrivit pentru laserele din domeniul lungimilor de undă albastre, pentru care nu a existat până acum un material adecvat. „Creșterea monocrystalină a Tb2O3 este o provocare”, explică expertul, „deoarece la temperaturi de topire de peste 2.500 °C trebuie menținute gradientele de temperatură precise în tranziția către faza stabilă”. Se referă la tranziția de la materialul ceramic topit la cristalul de Tb2O3. Rata de răcire este crucială pentru calitatea cristalului; procesul este atât de sensibil încât, cu metodele convenționale de creștere a cristalelor, nu s-a reușit până acum să se obțină Tb2O3 în dimensiunea și calitatea necesare pentru izolatori. Pentru a stabiliza faza cubică în care este crescut materialul și astfel a simplifica procesul de creștere, s-a utilizat o co-dopare cu oxid de lutetiu (Lu2O3).
Tehnologia laser ca cheia pentru cultivarea cristalelor de înaltă puritate
Într-un subproiect HiPEQ, SurfaceNet, Laserline și Fraunhofer ILT au dezvoltat și realizat o nouă instalație în care cristalele izolatoare (TbxLu1-x)2O3 cresc prin metoda de zonă flotantă optică bazată pe laser (LOFZ). Tranziția de la ceramica topită la cristal are loc la marginea zonei flotante, către care sunt direcționate patru optici de prelucrare. Acestea dirijează radiația de la patru lasere cu diodă, fiecare având o putere optică maximă de 3 kW, asupra tijelor ceramice, topindu-le pentru a forma un cristal unic.
Iradierea optimizată în simulări cu profile de fascicul trapezoidale, extrem de omogene, asigură densități uniforme de putere de încălzire în zona flotantă. Distribuția intensității în focalizare este ajustabilă prin modificări în traiectoria fasciculului. „Geometria trapezoidală oferă avantajul că o mare parte din energia laserului introdus topeste ceramica, iar restul reglează temperatura în timpul solidificării în cristal”, explică Rackerseder. În procesul continuu de refuzare cu viteză constantă de avans, cristalul nu trebuie să părăsească intervalul de temperatură aproape de punctul de topire decât cu rate de răcire exact specificate. Echipa a reușit să îndeplinească această cerință cu ajutorul metodei LOFZ, controlate cu precizie. „Astfel, suntem pentru prima dată capabili să producem cristale izolatoare (TbxLu1-x)2O3 în dimensiunea și calitatea solicitate”, explică el.
Sistem complet integrat
Noile cristale izolatoare au fost integrate de consorțiul HiPEQ într-un alt proiect parțial în surse de radiație miniaturizate modulare. De asemenea, Fraunhofer ILT a contribuit semnificativ la acest lucru. A proiectat un cuplaj de fibră cu cip adaptabil la diferite configurații de sistem și l-a fabricat din sticlă. Flexibilitatea și precizia necesare au fost obținute de echipă cu ajutorul gravării induse de laser selectiv (SLE): un laser expune microstructuri în sticlă, care pot fi apoi gravate cu precizie. Aceasta permite realizarea de cavități complexe în interiorul sticlei. În cadrul proiectului, această formare individuală a procesului SLE a fost cheia pentru a putea fabrica monolitic ambele surse de radiație cu lungimi de undă de 461 nm (albastru) și 637 nm (roșu), deși componentele de dimensiuni diferite sunt integrate în acestea. Izolatorul Faraday este, de asemenea, integrat cu precizie, la fel ca interfața flexibilă adaptabilă pentru diametrele fibrelor de la PIC la fibrele optice, inclusiv optici de intrare și ieșire și divizoare de fascicul. Procesul SLE asigură potrivirea precisă la micron a modulelor diferite ale ambilor demonstratori.
„Faptul că materialul înconjurător are același coeficient de dilatare termică ca și componentele optice face ca cuplorul cu fibră de chip să fie mai robust la fluctuațiile de temperatură”, explică Sandra Borzek, responsabilă pentru această parte a proiectului la Fraunhofer ILT. În acest context, având în vedere cerințele de precizie ridicată, tensiunile cauzate de dilatarea diferită a materialelor sunt inacceptabile. Și a existat un alt factor care a condus la abordarea proiectului: „Până acum, sursele de fascicul laser pentru tehnologiile cuantice sunt de obicei reglate manual”, explică ea. Fiecare componentă, de la opticile la izolatori și divizoare de fascicul până la fibre cu diametre de câțiva micrometri, este utilizată și aliniată individual.
Obiectivul: minimizarea efortului de reglare și asamblare
Fotonica caută soluții care să minimizeze efortul de asamblare și reglare și să respecte în mare măsură precizia cerută în mod automat. Modulul de ambalare fabricat monolitic într-un singur proces SLE se apropie deja de acest obiectiv. Ideal, acesta servește, după dotarea cu componentele optice, ca un grup fix care poate fi conectat la PIC prin intermediul așa-numitei tehnici de Flip-Chip-Bonding.
Inițial, echipa SLE a dorit să fabrice opticile pentru introducerea și extragerea luminii în procesul SLE și să le polish cu laser. Totuși, polisarea lentilelor în componentă era imposibilă, iar suprafața lor după procesul SLE era prea rugoasă. „De aceea, am dezvoltat diferite abordări de soluționare pentru a elimina artefactele și undele reziduale de pe suprafețe. Astfel, ne-am apropiat mult de obiectivul opticilor integrate și al polisării acestora”, relatează Borzek. Echipa a decis să fabrice opticile în procesul SLE fără o legătură fixă cu corpul de sticlă monolitic. Astfel, acestea pot fi scoase pentru polisare și apoi reinstalate exact acolo de unde au fost scoase.
HiPEQ a generat know-how pentru surse de fascicul viitoare
Prin creșterea cu succes a cristalelor izolatoare (TbxLu1-x)2O3, strategia de proces optimizată pentru fabricarea opticii bazate pe SLE și integrarea directă a structurilor de cuplare microscopice în carcasele macroscopice, HiPEQ a atins etape importante. Consorțiul a generat know-how-ul necesar pentru a putea implementa concepte de sistem flexibile cu diferite izolatori, cu un efort de asamblare și reglare semnificativ redus. „Pe această bază, modulele de ambalare din sticlă pentru concepte de sistem flexibile ar putea fi fabricate cu precizie de câțiva micrometri în procesul SLE în câteva zile. Noile izolatoare Faraday sunt o tehnologie cheie pentru miniaturizarea ulterioară”, sunt convinși Borzek și Rackerseder. HiPEQ a contribuit astfel la robustetea, versatilitatea și reducerea efortului de reglare al laserelor pentru aplicații tehnologice cuantice.
Contact:
