NANEO untersucht, wie hochtransparente (von 370 bis 935 nm) elektrisch gut leitende und minimal streuende Schichten aus ITO (Indium-Zinn-Oxid) hergestellt und in eine Antireflexions(AR)-Schicht integriert) werden können. Diese Schichten werden auf Mikrolinsen und Diamant-Wellenleiter-Endflächen aufgebracht, die Licht zu und von den Atomen die 3-D-Ionenfalle der PTB transportieren (optische Schnittstelle). Dadurch kann die Ionenfalle wesentlich anwendungsfreundlicher aufgebaut werden. Die geplante Verwendung von GRIN Linsen erfordert, dass die Prozesstemperatur während der Beschichtung 150°C nicht überschreitet.

Zur Realisierung der angestrebten Schichteigenschaften wird das Ionenstrahlsputtern (IBS) eingesetzt. IBS ermöglicht in einzigartiger Weise den Beschichtungsvorgang zu kontrollieren. Durch Variation der Prozessparameter lässt sich die Energie, die in die aufwachsende Schicht eingebracht wird, in so weiten Grenzen beeinflussen, wie es bei keinem anderen Beschichtungsverfahren möglich ist. Damit können Struktur und Eigenschaften der Schichten sehr stark beeinflusst werden.

Der zentrale Arbeitskern des Teilvorhabens besteht in der systematischen Variation aller relevanten Prozessparameter des IBS-Prozesses: Art des Sputtergases, Energie des Ionenstrahls, eventuell Intensität des Ionenstrahls und Beschusswinkel des Targets, Höhe des Reaktivgasdruckes während der Beschichtung, Art des Reaktiv-gases (ionisiert, neutral), Art des zusätzlichen Ionenbeschusses und die Temperatur während des Aufwachsens der Schicht. Die erzielten Schichteigenschaften werden vermessen und ein Prozess optimiert für die gewünschten Schichteigenschaften.

Die technischen Arbeitsziele sind definiert durch die folgenden Anforderungen:
1. Erzielung der folgenden Eigenschaften für die ITO-Schichten:
• Transmission bei 370 nm > 75%
• Elektrische Leitfähigkeit < 100 uOhm*cm
• Streulicht (TIS) bei 370 nm < 0,1%
2. Integration der ITO-Schicht als oberste Schicht in ein AR-Schicht-System, das bei den Wellenlängen 390, 760 und 935 nm eine Reflexion < 1% ermöglicht.

Die Ionenfallen des IDEAL Projekts bestehen aus ultradünnen, sehr planen strukturierten Fallensegmenten. Diese werden von Diamond Materials gewachsen, geschliffen und poliert und später prozessiert.

Diamond Materials zeichnet sich für die Laserbearbeitung des ersten Demonstrator mit einem Nanosekundenlaser verantwortlich, sowie für die Metallisierung und zusammen mit der PTB für die Aufbau- und Verbindungstechnik.

Derzeit gibt es weltweit keine skalierbaren 3D-Ionenfallen mit integrierter Mikrooptik. Der Einsatz von GRIN-Optiken zur Anregung, Kühlung, Manipulation und Detektion gefangener Ionen stellt damit eine technische Innovation dar. GRIN-Linsen und GRIN-Linsenarrays sind aufgrund ihrer Baugröße und Bauform geeignete Kandidaten, um den Herausforderungen an die Optiken in integrierten Ionenfallen gerecht zu werden.

Abbildung: Impressionen für GRIN-Einzellinsen (Durchmesser: 0,2 bis 2,7 mm)

Dazu zählen neben den Anforderungen an die optische Performance der Einsatz im Ultrahochvakuum, die Ausdehnung des nutzbaren Spektrums in den nahen UV-Bereich und die Forderung, die zur Lokalisierung der Ionen notwendigen RF-Felder nicht zu beeinflussen. All diese Aspekte sollen im beantragten Teilprojekt der GRINTECH (GRIN4IDEAL) erforscht werden. Bei erfolgreichem Projektabschluss stehen Demonstratoren von angepassten, fasergekoppelten GRIN-Linsen und GRIN-Linsenarrays für den Einsatz in Ionenfallen zur Verfügung.

Abbildung: Impressionen für kundenspezifische GRIN-Systeme

Abbildung: Impressionen für GRIN-Linsenarrays

Im Rahmen dieses Verbundprojektes wird im Institut für Quantenoptik der Leibniz-Universität Hannover eine industrielle Technologie für die hochpräzise Mikrobearbeitung von CVD-Diamantwafern mit fs-Laser zu entwickelt. Die entwickelten fs-Lasertechnologien werden das Hauptwerkzeug für die Herstellung von Diamant-Ionenfallen mit integriertem faseroptischen Interface und integrierter Detektionsoptik (IDEAL-Ionenfallen) sein. Diese Technologien können auch in anderen Anwendungen wie Mikromechanik, integrierter Photonik und mikroelektromechanischen Systemen verwendet oder auf diese übertragen werden.

Für eine effiziente und vor allem präzise Bearbeitung der Diamant-Trägerplatte sind kurze Pulse im ultravioletten Spektralbereich notwendig. Dausinger + Giesen stellt den Prototypen eines fs-Lasersystems mit einer Pulsenergie von bis zu 300µJ bei einer Wellenlänge von 343nm und einer Pulsdauer von <300fs zur Verfügung. Mit der Repetitionsrate von 75kHz kann eine Hochgeschwindigkeits-Diamant-Mikromaterialbearbeitung wesentlich schneller als mit den bisher kommerziell erhältlichen Lasersystem realisiert werden.
Bisher wird als laseraktives Medium hauptsächlich Yb:YAG verwendet, was für den Pulsdauerbereich gewisse Einschränkungen mit sich bringt. Durch die geringe Breite des Spektrums von 1,5nm sind fs-Pulse mit Yb:YAG nur mit Hilfe nichtlinearer Effekte und der damit verbundenen künstlichen Verbreiterung des Spektrums möglich. Diese nichtlinearen Effekte bringen allerdings auch Beeinträchtigungen des Strahlprofils mit sich.
In einem weiteren Arbeitspaket sollen deshalb weitere laseraktive Medin mit einem breiteren Emissionsspektrum getestet werden. Die neuen Materialien würden es zulassen, zeitlich in die Länge gezogenen Pulsen zu verstärken und damit die Belastung der Komponenten durch eine wesentlich niedrigere Pulsspitzenleistung zu minimieren und die Lebensdauer zu erhöhen.