IsoNova

Neue Materialien für Faraday-Isolatoren als Schlüsselkomponenten für neue Hochleistungslaser und kompakte Diodenlasersysteme

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 auf dem Weg zu neuen Hochleistungs-Faraday-Isolatoren

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 Vor-stellung 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 lassen. Dazu gehören Praseodym-basierte Granate sowie, speziell für den sichtbaren Spektralbereich, Cadmium-Mangan-Tellurid (CdMnTe).

Die Konsortialpartner IKZ, FEE, Fraunhofer IPM, TRUMPF und TOPTICA decken die gesamte Wertschöpfungskette von der Entwicklung der Kristallzucht bis zur Evaluierung kompletter Isolatoren im Laser-Dauertest ab. Dabei werden regelmäßig Iterationszyklen vom Kristall über den Aufbau der Isolatoren bis zur Validierung im entsprechenden Lasersystem durchlaufen. Parallel zur Technologieentwicklung sollen analytische Untersuchungen das Materialverständnis deutlich verbessern.  

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 BMFTR (QTEGA) vorgesehen ist. Für TRUMPF werden Isolatoren auf der Basis der Hochleistungsmaterialien bei der weiteren Leistungsskalierung der UKP-Laser wirksam werden.