Die Sägezahngitter sind zurück

Optische Sägezahngitter kommen in Photonenquellen zum Einsatz, um das Licht zu beugen und die für die Experimente benötigte Wellenlänge herauszufiltern. Nach zweieinhalbjähriger Arbeit haben Entwickler am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) nun erstmalig wieder Sägezahngitter in höchster Präzision hergestellt, die den Ansprüchen an das wissenschaftliche Experimentieren genügen. Diese Sägezahngitter (auch geblazte Gitter genannt) wurden kürzlich erfolgreich am Elektronenspeicherring BESSY II getestet. Sie verhielten sich dabei so, wie Forscher theoretisch vorausgesagt hatten. Die Europäischen Union fördert das Projekt durch den EFRE-Fond.

Ein Sägezahngitter besteht aus einem Silizium-Substrat, auf das eine sehr dünne Schicht Gold aufgedampft wird. Kleine, mit einem Diamanten eingeritzte Rillen sorgen dafür, dass das Gitter Licht beugt. Auf ihm befinden sich 600 Zähne je Millimeter. Bei dem Ritz-Prozess dürfen die Umgebungstemperaturen nur um 0,02 Grad Kelvin schwanken. Damit die Gitter möglichst viel Licht der entsprechenden Wellenlänge durchlassen, müssen die Sägezähne besonders flach sein. Dazu behandeln die Forscher die Goldschicht der fertig geritzten Gitter in einer lonenätzanlage. So entsteht eine flachere Neigung der Sägezähne. Den Entwicklern vom HZB ist es jetzt gelungen, den Winkel auf nur zwei Grad zu verkleinern.

„Für die Herstellung dieser Sägezahngitter mussten wir uns sehr viele technologische Prozesse aneignen und sicher beherrschen lernen", sagt Friedmar Senf, der mit in dem Projekt arbeitet. Da es weltweit keine anderen Arbeitsgruppen auf diesem Gebiet gibt, konnten sie nicht auf vorhandene Erfahrungen zurückgreifen. Der frühere Hersteller, die Firma C. Zeiss, hatte die Fertigung der hochpräzisen Gitter für Sychrotronquellen 2008 in Oberkochen aufgegeben und konzentriert sich am Standort Jena auf den industriellen Einsatz u.a. auch für Weltraum-Projekte und Anwendungen in der EUV-Technologie. Seitdem wurden weltweit keine neuen Gitter für Photonenquellen mehr produziert. Mit dem jüngsten Erfolg hoffen die Forscher, diese Lücke bald schließen zu können. „Die Nachfrage nach Gittern ist sehr groß – und unsere Liste mit Bestellungen lang", so der Physiker Friedmar Senf.

Das Team des Technologiezentrums konnte erst Anfang 2013 mit der eigentlichen Entwicklungsarbeit beginnen. In den beiden Jahren zuvor wurden die Laboranlagen am HZB aufgebaut und die von Zeiss übernommen Geräte und Maschinen generalüberholt. „Bis unsere Gitterteilmaschine tatsächlich für diese extrem präzisen Arbeiten wieder fit war, ist viel Zeit vergangen. Unter anderem ist die Elektronik komplett erneuert worden. Umso mehr freuen wir uns, dass es uns gelungen ist, in relativ kurzer Zeit funktionierende Gitter herzustellen", so Senf. Unterstützt und begleitet wird die Gitteraktivität durch die Firma DIOS aus Bad Münstereifel.

Das Team entwickelt auch weitere innovative Gitter, unter anderem sogenannte Toroidgitter auf gekrümmten Substratoberflächen, Variable-Liniendichte-Gitter und reflektierende Zonenplatten, die an Freie-Elektronen-Lasern zum Einsatz kommen sollen.

HZB / PH