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Fertigung polymerer optischer Mikrosensoren

HIMT uPG101 Laser-Lithografie-System an der TU Clausthal. Foto: Kreutzmann

Lithografische Fertigung komplexer optischer Wellenleiterstrukturen aus Polymeren

 

HIMT uPG101 Laser-Lithografie-System. Foto: Ziemer

Auszug aus dem Aufgabenspektrum

  • Auswahl und Vergleich von polymeren Werkstoffen
  • Optimierung von Fertigungsverfahren und –abläufen
    • Beschichtung
    • Belichtung
    • Thermische Verfahren
    • Prä- und Postprozessierung
  • Entwicklung und Optimierung von Testmethoden
  • Untersuchung von Methoden zur Aus- und Einkopplung von Licht in Mikrooptiken
  • Herstellung polarisationserhaltende Polymerwellenleiter
  • Simulation

Stand der Technik/Motivation

  • Polymere sind extrem vielseitige Materialien und Metamaterialien. Sie können genau an verschiedenste Bedürfnisse angepasst werden. Daher eignen sie sich gut zur Herstellung elektronischer, mechanischer und optischer Mikrokomponenten. Anpassung kann bspw. erfolgen durch
    • Einbettung von Nanopartikeln,
    • Anordnung der Molekülketten,
    • Kombinationen verschiedener Werkstoffe.
  • Polymer-MEMS (MicroElectroMechanical Systems) sind bereits Stand der Technik
  • Integrierte Monomode-Wellenleiter werden bislang vor allem in Halbleitermaterialien erzeugt
  • Neueste Laser-Lithografie-Systeme sind in der Lage, Polymerschichten auch maskenlos mit Mikrometerauflösung zu strukturieren

Methoden

  • Evaluierung von Methoden zur Erzeugung von Doppelbrechung in Polymere zur Erzeugung polarisationserhaltender optischer Wellenleiter.
  • Einkopplung von polarisiertem Laserlicht und Untersuchung des Polarisationsauslöschungsverhältnisses in Abhängigkeit von Umgebungseinflüssen.

 

Handhabung eines beschichteten Glassubstrats im Reinraum der TU Clausthal. Foto: Kreutzmann

Simulation und Fertigung optischer Phasenplatten zur Generierung spezieller Laser-Moden

Intensitätsverteilung von z.B. Licht in Form einer sogenannten Doughnut-Mode. Quelle: https://www.thorlabs.com/images/tabImages/Vortex_Retarder_Donut_800.gif, abgerufen am 29.10.2019.

Hintergrund

Eine als „Doughnut-Mode“ bezeichnete Strahlform zeichnet sich dadurch aus, dass sie in Ihrem Zentrum einen Bereich hat, den kein Licht erreicht. Diese Form der Intensitätsverteilung wird z.B. in modernen Mikroskopie- und Fertigungsverfahren und zur Holographie verwendet.

Stand der Technik

Doughnut-Moden können auf verschiedene Weise erzeugt werden. Eine Methode sind sogenannte Phasenplatten, bei denen die Höhe der Platte (und damit die Dicke des vom Laserstrahl zu durchquerenden Materials) sich in Tangentialrichtung ändert.

  • Optische Phasenplatten sind passive Bauteile, die einen Laserstrahl in einer definierten Art „formen“ können. Sie verzögern einen Laserstrahl so, dass er mit sich selbst auf eine Weise interferiert, dass es im gewünschten Bereich zur Auslöschung kommt.
  • Phasenplatten können beispielsweise aus Glas oder Polymeren hergestellt werden.
  • Aufgrund der hohen Anforderungen an die Präzision sind sie in der Regel sehr teuer.

Auszug aus dem Aufgabenspektrum, Methoden, Ergebnisse

  • Simulation einer optischen Phasenplatte.
  • Optimierung und Entwurf der Phasenplatte mit Hilfe der Simulation.
Simulation optischer Phasenplatten und der resultierenden Intensitätsverteilung in MATLAB
  • Eigene Fertigung einer Phasenplatte aus Polymer mittels direkter Laserlithographie.
Fertigungsschritte bei der Laserlithographie im Reinraum der TU Clausthal. Foto: Ziemer

Ergebnisse

Beispielhaftes Ergebnis der Messung einer selbst gefertigten zweistufigen Phasenplatte und Vergleich mit der Simulation.

Polarisationsmessung für Laserstrahlen

Messung der Polarisation

Die polarisationserhaltenden Eigenschaften der Polymere und der fotolithografisch hergestellten Strukturen werden mit einem eigens im Institut für Elektrische Informationstechnik der TU Clausthal konstruierten Messgerät bewertet. Der Polarisationszustand der elektromagnetischen Strahlung wird dabei mit einer Kombination aus Verzögerungsplättchen und Polarisationsfilter durch Intensitätsmessungen und automatische, computergestützte Auswertung ermittelt.

Messgerät zur automatisierten Polarisationsmessung infraroter Laserstrahlung. Foto: Ziemer
Prinzip der Poincaré-Kugel mit den Komponenten des Stokesvektors. Quelle: Richter, 2018.

Konstruktion und Realisierung des Systems erfolgten im Rahmen einer Studienabschlussarbeit:

Richter, Andreas (2018): Konstruktion und Aufbau eines Polarisationsmesssystems für Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von 1550 nm. Masterarbeit. Technische Universität Clausthal, Clausthal-Zellerfeld. Institut für Elektrische Informationstechnik.

Allgemeines

Wir bieten immer wieder spannende Themen für studentische Arbeiten an: Aktuelle Ausschreibung (PDF).

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