Studentische Abschlussarbeiten

Diese Arbeit behandelt die Entwicklung eines volumenholographischen spektralen Filters für die Anwendung in der Lichtlaufzeitmessung. Bei diesem Verfahren wird der Abstand zum Objekt mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit und der gemessenen Zeit bestimmt. Bei Verfahren mit aktiver Beleuchtung kann es aufgrund des Einsatzes unter schwer kontrollierbaren Bedingungen zum Verrauschen oder einer Überdeckung des Effektivsignals durch das Hintergrundlicht kommen. Der aktuelle Entwicklungsstand der Holographie ermöglicht, dieses Problem mittels Erstellung eines holographischen Filters zu beheben. Diese Arbeit verfolgt das Ziel, mit Hilfe von modernen holographischen Techniken, Lichtquellen und Materialien einen solchen Filter herzustellen. In der Vorbereitungsphase wurde der aktuelle Stand der Volumenholographie analysiert und anhand der durchgeführten Analyse die Aufgabenstellung präzisiert. In der Phase der praktischen Umsetzung wurden notwendige Belichtungsaufbauten erstellt sowie erforderliche Filter aufgenommen. Dabei wurde mittels vorhandener Materialien eine spektrale Bandbreite des Filters erzeugt sowie die gewünschte Abbildungsfunktion in den Filter integriert. Die Arbeit bildet eine Vorlage für die Erstellung eines holographischen Filters für die Anwendung in der Lichtlaufzeitmessung und ermöglicht die Weiterentwicklung dieses Filters.

Optische Mikrokavitäten beschränken Licht auf ein definiertes Volumen. Die Betrachtung optischer Mikrokavitäten findet beispielsweise im Bereich der Flüstergaleriemoden-Resonatoren ein großes Forschungspotential. Dafür werden zirkulare Mikroresonatoren verwendet die das Licht unter Ausnutzung der Totalreflexion an den Resonatorwänden führen. Bestimmte Deformationen der zirkularen Struktur dieser Resonatoren ermöglichen die Erzeugung stark gerichteter Fernfelder. Zur Anregung der Resonatormoden können optisch aktive Medien genutzt werden. Diese bieten die Möglichkeit, Licht direkt am Resonator durch Fluoreszenz zu erzeugen. Als optisch aktive Medien werden Laserfarbstoffe verwendet, die in Hybridpolymerschichten integriert werden. Die zentrale Frage der vorliegenden Arbeit ist die Integrationsfähigkeit ausgewählter Laserfarbstoffe in optischen Mikroresonatoren mit Hilfe eines Mikrosystem (engl. micro-electro-mechanical systems) (MEMS)-Fertigungsprozesses. Daraus ergeben sich die Teilfragen nach der Auswahl geeigneter Laserfarbstoffe, der Optimierung eines Herstellungsprozesses und der Charakterisierung der hergestellten Mikroresonatoren. Dazu wird die Absorption und Emission unterschiedlicher Laserfarbstoffe in verschiedenen Lösungsmitteln mit Hilfe eines UV-Vis- und Fluoereszenzspektrometers spektral untersucht. Propylenglykolmonomethylacetat (PGMEA) zeigt dabei ähnliche Ergebnisse wie das übli-cherweise verwendete Ethanol. Unter Nutzung der statistischen Versuchsplanung (DoE) wird ein Screening-Versuch zur Bewertung des Einflusses ausgewählter Parameter auf den Herstel-lungsprozess durchgeführt. Im Rahmen dieses Screening-Versuchs werden bereits deformierte optische Mikroresonatoren erzeugt, in welchen eine optische Schicht das Resonatormedium bildet. Die bei einer Dosis von 500 mJ/cm 2 belichteten Strukturen zeigen dabei die höchste Auflösung. Die Ergebnisse des Screening-Versuchs werden zur Beschichtung optischer Mikroresonatoren aus Siliziumdioxid mit einem optisch aktiven Medium angewandt. Das Vorgehen zur Charakterisierung der realisierten Mikrokavitäten wird diskutiert.

Chromatisch-konfokale Systeme ermöglichen präzise und hochauflösende Weg- und Abstandsmessungen. Diese Messungen wurden in vorangegangenen Arbeiten um die Neigung erweitert. Abstands- und Neigungsmessung basieren dabei auf der üblichen Intensitätsanalyse. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neues Prinzip entwickelt, in welchem der Abstand durch die Analyse der Halbwertsbreite des Messsignals bestimmt wird. Dadurch ermöglicht das neu entwickelte Prinzip eine simultane Abstands- und Neigungsmessung auf der Basis sowohl der Geometrie- als auch der Intensitätsanalyse des Messsignals. Die Analyse der Halbwertsbreite wird durch Approximationstheorie sowie mathematische Modellierung unterstützt. Um genauere Auswertungsergebnisse zu erreichen wird ein Optimierungsverfahren zur Signalauswertung demonstriert. Dieses Verfahren basiert auf dem bekannten Levenberg-Marquardt-Algorithmus. Zur Realisierung werden im Rahmen dieser Arbeit entsprechende Matlab-Programme entwickelt. Diese Arbeit eröffnet eine neue Möglichkeit zur Analyse, sowie zur Messung und Auswertung auf Basis des chromatisch-konfokalen Messprinzips.

Das Monitoring von Umweltschadstoffen wie Methan und Distickstoffmonoxid bietet ein breites Forschungsfeld hinsichtlich der Detektion und Analyse explosiver oder toxischer Gase. Neben diversen physikalischen und chemischen Messprinzipien wie pyroelektrischer oder chemielumineszenter Sensorik bietet insbesondere das photoakustische Prinzip sehr gute Voraussetzungen, als sensitives und gut miniaturisierbares Sensorsystem ein kostengünstiges Pendant zu den etablierten Sensoren darzustellen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung des Prototyps eines Gassensors, welcher die Detektion eines Gasgemisches anhand einer neuen Anwendungsform des photoakustischen Effektes ermöglicht. Mit der Intention einer inversen Nutzung des photoakustischen Effektes wurde in einem kontinuierlichen Produktenstehungsprozess ein Sensormodul geschaffen, das die Möglichkeit bietet ohne optische Festkörperfilter die Analyse eines Gasgemisches vorzunehmen und dabei Sensorik und Auswertelektronik vereint. In Vorbetrachtungen der Fertigung und der Messungen mit dem photoakustischen Sensormodul wurden im Rahmen dieser Arbeit ergänzend Untersuchungen hinsichtlich des Transmisssionsverhaltens von oberflächenmodifiziertem Silicium im Infrarotbereich (2 [my]m bis 25 [my]m) durchgeführt. Die Oberflächenmodifizierung des Siliciums mit dem Prozess des reaktiven Ionenätzens bewirkte eine Steigerung des Transmissionsgrades auf annähernd 60 %. Die Basis des entwickelten Sensormoduls bildet ein Zweikammersystem, wobei die Detektionskammer mit einem Prüfgas und die Absorptionskammer mit einem Gasgemisch gefüllt wird, was als optischer Filter dient. In Abhängigkeit der Absorptionsbanden der Gasmoleküle in der Absorptionskammer wird die durch einen Emitter ausgesendete elektromagnetische Strahlung im mittleren Infrarotbereich durch das Gasgemisch absorbiert. Befindet sich nun ein Gas in der Absorptionskammer, welches ebenfalls als reines Prüfgas in der Detektionskammer vorliegt, werden die von einem an die Detektionskammer angekoppelten Mikrofon gemessenen, durch den photoakustischen Effekt erzeugten Schallwellen umso lauter, je geringer dessen Anteil am Gasgemisch ist. Experimentelle Untersuchungen mit dem entwickelten photoakustischen Sensormodul belegen diesen angenommenen Filtereffekt der Reduzierung des photoakutischen Signals durch die Dilution von Stickstoff mit einem Prüfgas wie Distickstoffmonoxid (N2O) oder Methan (CH4). Es konnte eine Reduktion des durch den photoakustischen Effekt erzeugten Schalldruckpegels von 12 dB bei einem qualitativ zusammengestellten Gemisch aus Stickstoff (N2) und Distickstoffmonoxid gegenüber der Befüllung der Absorptionskammer alleine mit Stickstoff dokumentiert werden. Weitere Messungen mit Methan als Prüfgas bestätigen das beobachtete Verhalten. Es konnte mit demselben Sensormodul und bei gleicher Versuchsabfolge eine Reduzierung des Messsignals von 3 dB erreicht werden.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit polarisationsoptischen Strahlteilern, welche auf Gitterstrukturen beruhen. Es werden Kombinationen von nicht-beugenden Subwellenlängenstrukturen (Zero-order-Gitter) und beugenden Gitterstrukturen untersucht. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit am Institut für Angewandte Physik (IAP) Jena gefertigten metallischen Polarisationsfilterarrays. Diese Hybrid-Amplitudengitter können als multifunktionales diffraktives optisches Element (DOE) wirken. Ein Simulationsmodell basierend auf dem Malus'schen Gesetz wird vorgestellt sowie weitere Ansätze zur Beschreibung der polarisationsabhängigen Beugung an dieser Struktur (Müller-Stokes- und Jones-Formalismus) behandelt. Die Beugungsbilder werden simuliert und qualitativ mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Es sind, abhängig vom Polarisationswinkel, ein- und zweidimensionale Beugungsbilder zu erkennen und es besteht die Möglichkeit, die 0. Ordnung zu filtern. Der zweite Teil befasst sich mit dem Design eines dielektrischen Hybrid-Phasengitters, welches maximale Beugungseffizienz für TM-Polarisation und minimale Beugungseffizienz für TE aufweist. Dies ist beispielsweise interessant für die Trennung von Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang im Sinne einer On-Axis-Oberflächenmesstechnik. Das Gitter soll unter senkrechtem Lichteinfall arbeiten und möglichst tolerant gegenüber Verkippung sein, damit es sich einfach in ein Messsystem integrieren lässt. Vorgestellt werden verschiedene Designansätze zur Kombination von Subwellenlängen- und beugenden Strukturen. Ein Startsystem wird über den Ansatz der Effektive-Medien-Theorie gefunden und Parametervariationen und Toleranzberechnungen über RCWA-Simulationen durchgeführt. Das Gitter zeigt ein symmetrisches Beugungsbild und eine große Differenz der Beugungseffizienzen für die beiden Polarisationsrichtungen. Es ist innerhalb eines sehr großen Winkelbereiches nutzbar. Für das gewählte Design wird ein Prozessablaufplan für die Fertigung entworfen. Eine Photomaske zur Herstellung des Masters für die Nanoimprint-Lithographie (NIL) wird in Auftrag gegeben.