Strahlformung für die Laser-Diode-Floating-Zone-Kristallzucht

Das Laser-Diode-Floating-Zone- (LDFZ-) Verfahren ist ein Prozess zur tiegelfreien Züchtung von Einkristallen hoher Reinheit. Hierbei werden ein polykristalliner Nährstab und ein monokristalliner Impfling zusammengebracht und an der Kontaktstelle mit Lasern homogen über den Umfang bestrahlt, wodurch diese erwärmt und aufgeschmolzen wird. Der sukzessive umgeschmolzene Nährstab erstarrt monokristallin an der Unterseite der Schmelzzone gemäß der Kristallstruktur des Impflings. Die Anforderungen des Prozesses hinsichtlich Homogenität und Temperaturgradienten in der Schmelze lassen sich in ein spezielles Anforderungsprofil für die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung im Fokus überführen. Zuerst werden Konzepte zur Strahlformung vorgestellt und analysiert. Anschließend wird das optische und mechanische Design eines realisierten 20kW-System für die Züchtung von Galliumoxid-Kristallen mit Durchmessern von bis zu 38 mm sowie die Ergebnisse der Kristallzuchtversuche vorgestellt. Abschließend wird ein alternativer Ansatz zur Erzeugung spezieller homogenisierter Strahlprofile für das LDFZ-Verfahren diskutiert, um hochschmelzende optische Isolatoren mit großer Verdet-Konstante herzustellen.