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Projekte - Detailansicht

C03 - Planaroptisches Polymer-Folienspektrometer

Leitung:Prof. Schade
Bearbeitung:Rozalia Orghici
Laufzeit:2013-2016
Förderung durch:DFG

Zentrale Komponente eines optischen Messsystems zur spektralen Filterung einzelner Wellenlängen ist ein Spektrometer. Konventionelle Gitterspektrometer lassen sich allerdings nicht ohne Weiteres als planaroptische Elemente in eine Polymerfolie integrieren, so dass stattdessen planaroptische passive Filterelemente, idealerweise mit einer größeren Zahl von Kanälen Verwendung finden. Ein derartiges Filterelement ist aus dem Telekombereich bekannt: sogenannte „Arrayed Waveguide Gratings“ (AWG) werden dort standardmäßig als Demultiplexer oder Multiplexer eingesetzt. Der Ansatz eignet sich grundsätzlich auch hervorragend zur Realisierung eines planaroptischen Mikrospektrometers in einer Polymerfolie.

In Abbildung 1 ist eine Prinzipskizze eines AWGs gezeigt. Für eine Anwendung als dispersives Element (Spektrometer) wird Licht aus dem Eingangswellenleiter in die erste freie Propagationszone (FPZ) eingekoppelt. Sie wirkt aufgrund ihrer Formgebung als dispersives Element, so dass die Wellenfront gekrümmt wird. Nach Propagation durch die FPZ wird das Licht in das eigentliche Array aus n Wellenleitern eingekoppelt (in Abb. 1 sind beispielhaft 6 Wellenleiter gezeichnet). Die Wellenleiter besitzen unterschiedliche optische Weglängen, benachbarte Wellenleiter unterscheiden sich jeweils um ein festes Inkrement ΔL. Das AWG wird nun so konzipiert, dass für eine Zentralwellenlänge λ0 die optische Weglänge genau einem Vielfachen m der Wellenlänge entspricht (ΔL=mλ0). Damit wird an der Austrittsseite in der freien Propagationszone wieder die ursprüngliche Wellenfront rekonstruiert und das Licht in das Zentrum der Austrittsebene fokussiert. Wird eine andere Wellenlänge als die Zentralwellenlänge λ0 eingestrahlt, wird diese auf einen anderen Punkt der Austrittsebene fokussiert, so dass eine räumliche Trennung einzelner Wellenlängen eintritt. Werden nun Wellenleiter an unterschiedlichen Positionen auf dem Rowlandkreis positioniert, kann das AWG wellenlängenselektiv über Photodioden ausgelesen werden. Alternativ kann man die dispersiven Eigenschaften eines AWGs beschreiben, indem die Interferenz der zwischen den einzelnen, unterschiedlich langen Wellenleitern transmittierten Lichtanteile berücksichtigt wird. Über konstruktive und destruktive Interferenz werden für die jeweiligen Wellenlängen Positionen definiert, an denen Austrittswellenleiter positioniert werden. Da konstruktive Interferenz an bestimmten Punkten für eine Vielzahl von Wellenlängen auftreten kann, wird über diese Betrachtung der freie Spektralbereich (ΔλFSR) des AWGs als Wellenlängen- bzw. Frequenzabstand zwischen den Maxima des Interferenzmusters definiert: ΔλFSR=NΔλ≈λ0/m. Hierbei ist N die Anzahl der Wellenlängenkanäle und Δλ die Wellenlängenauflösung.

Da die Transmissionseigenschaften des AWGs von den Weglängenunterschieden der einzelnen Wellenleiter bestimmt wird, muss eine Beeinflussung der optischen Weglänge der einzelnen Wellenleiter durch äußere Einflüsse wie Temperatur und mechanischer Beanspruchung vermieden werden. Innerhalb des Teilprojekts wird untersucht, inwieweit eine mechanische Stabilisierung mithilfe der Implementierung von ZnO-Nanodrähten oder Nanopartikeln möglich ist, und ob durch geeignetes Design und Materialanpassung ein athermisches Verhalten erreicht werden kann.

Wesentliche Arbeitspakete innerhalb des Teilprojektes sind die Simulation, das Design und die Optimierung der Filterelemente. Abbildung 2 zeigt ein einfaches System zur Auftrennung des Eingangslichts in zwei Kanäle und das Ergebnis der zugehörigen Simulation. Nach Vorgabe der Anwendungsprojekte können AWGs maßgeschneidert werden, die hinsichtlich der Kanalanzahl und demzufolge der Auflösung und des abgedeckten Spektralbereichs optimiert sind.

Zur systematischen Untersuchung der Materialeigenschaften modifizierter Polymerfolien werden Nanostrukturen mittels nasschemischer Verfahren hergestellt. Hierbei wurde der Prozess hinsichtlich der Herstellung langer dünner Drähte und einer hohen Ausbeute an Nanodrähten optimiert. Abbildung 3 zeigt beispielhaft eine REM-Aufnahme hergestellter Nanodrähte. Die Einlagerung in das Polymer erfolgt während der Polymerisation. Die modifizierten Polymere werden hinsichtlich ihres thermischen Ausdehnungsverhaltens und der Brechungsindexdispersion charakterisiert. Weiterhin wird die Homogenität der Einlagerung untersucht. Clusterbildung und Absinken wird mit einer Funktionalisierung der Drähte mit in Zusammenarbeit mit Projekt B06 begegnet. Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Nanostrukturen; die erzielten Ergebnisse werden verglichen, so dass das einfachste Verfahren zur mechanischen Stabilisierung bzw. zur Gewährleistung athermischen Betriebs des AWGs identifiziert werden kann. 

Übersicht