TY - GEN

T1 - Microtechnological Production of Integrated Optical Gratings Using Laser Beam Lithography for Atomic Interferometers

AU - de Wall, Sascha

AU - Kassner, Alexander

AU - Dencker, Folke

AU - Wurz, Marc

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Am Institut für Mikroproduktionstechnik der Leibniz Universität Hannover werden in Kooperation mit dem Institut für Quantenoptik Atom Chips entwickelt und gefertigt, welche Bestandteil einer magneto-optischen Falle (engl. Magneto-optical trap – MOT) für kompakte Materiewelleninterferometer sind. In der Vergangenheit wurden bereits erste Untersuchungen im Labor und unter realen Bedingungen erfolgreich durchgeführt. Hierfür wurde im QUANTUS Vorhaben das erste Bose-Einstein-Kondensat (BEK), welches für die Materiewelleninterferometrie notwendig ist, erzeugt [1]. Das Folgeprojekt QUANTUS-2 führte zu einer Miniaturisierung des Aufbaus und zur Testung in Fallturmexperimenten [2]. Mit den gewonnenen Erkenntnissen konnte im Rahmen der MAIUS-1 Mission ein BEK im Weltraum erzeugt und mittels atomarer Interferenz nachgewiesen und charakterisiert werden [3]. Diese hochpräzisen Materiewelleninterferometer bieten Vorteile gegenüber klassischen Interferometern hinsichtlich Messpräzision, Reproduzierbarkeit und obsoleten Kalibrierungsaufwand und Wartung. Aufgrund des stationären Aufbaus und der hohen Komplexität wird der Einsatz für kommerzielle Zwecke erschwert. Hierfür bedarf es einer weiteren Miniaturisierung und Integration des Gesamtsystems.Ein möglicher Ansatz zur weiteren Reduktion der Masse und des Volumens kann die Verwendung einer Gitter-MOT darstellen. Für die magneto-optische Falle wurden in den vorangegangenen Experimenten vier Laserstrahlen benötigt, welche entsprechend justiert und angesteuert werden mussten. Durch die Integration eines mikrotechnisch hergestellten Gitters auf der Atomchipoberfläche kann die Anzahl der benötigten Laser auf einen reduziert werden. Aufgrund der Gitterabmessungen (<1 μm) erfolgte die Strukturierung in der Vergangenheit am IMPT mittels elektronenstrahlbasierter Verfahren. Um hohe Prozesszeiten zu vermeiden, erfolgt die Strukturierung in diesem Beitrag mittels der Laserlithografie. Dieses Verfahren stellt neue, erhöhte Anforderungen an die Prozesstechnologie, welche im Manuskript näher beleuchtet werden. Zur Veranschaulichung befinden sich in Abbildung 1 rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von strukturierten Beugungsgittern nach der Entwicklung. Ab einer Gitterperiode von <3 μm werden erste richtungsabhängige Belichtungsartefakte deutlich und Gitterperioden <2 μm können nicht mehr zuverlässig belichtet werden. Um die benötigte Auflösung zu erzielen, müssen vom Substrat ausgehende Reflexionen minimiert werden. Die zwingend notwendige Einführung einer anti-reflektierenden Schicht in die Prozesskette führt zu einer Vermeidung von stehenden Wellen während der Belichtung, allerdings zeitgleich auch zu einer Erhöhung der Komplexität der mikrotechnologischen Herstellungsabfolge.

AB - Am Institut für Mikroproduktionstechnik der Leibniz Universität Hannover werden in Kooperation mit dem Institut für Quantenoptik Atom Chips entwickelt und gefertigt, welche Bestandteil einer magneto-optischen Falle (engl. Magneto-optical trap – MOT) für kompakte Materiewelleninterferometer sind. In der Vergangenheit wurden bereits erste Untersuchungen im Labor und unter realen Bedingungen erfolgreich durchgeführt. Hierfür wurde im QUANTUS Vorhaben das erste Bose-Einstein-Kondensat (BEK), welches für die Materiewelleninterferometrie notwendig ist, erzeugt [1]. Das Folgeprojekt QUANTUS-2 führte zu einer Miniaturisierung des Aufbaus und zur Testung in Fallturmexperimenten [2]. Mit den gewonnenen Erkenntnissen konnte im Rahmen der MAIUS-1 Mission ein BEK im Weltraum erzeugt und mittels atomarer Interferenz nachgewiesen und charakterisiert werden [3]. Diese hochpräzisen Materiewelleninterferometer bieten Vorteile gegenüber klassischen Interferometern hinsichtlich Messpräzision, Reproduzierbarkeit und obsoleten Kalibrierungsaufwand und Wartung. Aufgrund des stationären Aufbaus und der hohen Komplexität wird der Einsatz für kommerzielle Zwecke erschwert. Hierfür bedarf es einer weiteren Miniaturisierung und Integration des Gesamtsystems.Ein möglicher Ansatz zur weiteren Reduktion der Masse und des Volumens kann die Verwendung einer Gitter-MOT darstellen. Für die magneto-optische Falle wurden in den vorangegangenen Experimenten vier Laserstrahlen benötigt, welche entsprechend justiert und angesteuert werden mussten. Durch die Integration eines mikrotechnisch hergestellten Gitters auf der Atomchipoberfläche kann die Anzahl der benötigten Laser auf einen reduziert werden. Aufgrund der Gitterabmessungen (<1 μm) erfolgte die Strukturierung in der Vergangenheit am IMPT mittels elektronenstrahlbasierter Verfahren. Um hohe Prozesszeiten zu vermeiden, erfolgt die Strukturierung in diesem Beitrag mittels der Laserlithografie. Dieses Verfahren stellt neue, erhöhte Anforderungen an die Prozesstechnologie, welche im Manuskript näher beleuchtet werden. Zur Veranschaulichung befinden sich in Abbildung 1 rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von strukturierten Beugungsgittern nach der Entwicklung. Ab einer Gitterperiode von <3 μm werden erste richtungsabhängige Belichtungsartefakte deutlich und Gitterperioden <2 μm können nicht mehr zuverlässig belichtet werden. Um die benötigte Auflösung zu erzielen, müssen vom Substrat ausgehende Reflexionen minimiert werden. Die zwingend notwendige Einführung einer anti-reflektierenden Schicht in die Prozesskette führt zu einer Vermeidung von stehenden Wellen während der Belichtung, allerdings zeitgleich auch zu einer Erhöhung der Komplexität der mikrotechnologischen Herstellungsabfolge.

M3 - Conference contribution

SN - 978-3-8007-6203-3

BT - Tagungsband MikroSystemTechnik Kongress 2023

ER -