Final Student Theses

Results: 95
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Bösemann, Anja;
Untersuchung optisch aktiver Schichten zur Beschichtung von optischen Mikrokavitäten. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

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.



Ultrakurzpulslaser-basiertes Fügen von artungleichen Gläsern mittels viskoser Spaltüberbrückung. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Das Ziel dieser Arbeit ist es geeignete Parameter für die viskose Spaltüberbrückung bei Artungleichen Gläsern mittels UKP-basierter Laserstrahlung zu ermitteln. Beim Fügen mittels UKP-Laserstrahlung, legt man den Fokus unter die Oberfläche des unteren Fügepartners. Dadurch entsteht eine Aufwölbung der Oberfläche des unteren Materials wodurch es zum Kontakt mit dem oberen Material kommt. Durch Van-der-Waals Kräfte schließt sich der Spalt. Die untersuchten Glaskombinationen sind BF33-NBK-7, Quarz-BF33 und Quarz-Saphir. Es wurde eine Parameterstudie basierend auf den Auswertungen vorangegangener Arbeiten zum UKP-Schweißen von artgleichen Gläsern durchgeführt. Für die Kombinationen BF33-NBK-7 sowie Quarz-BF33 ergaben sich ähnliche Parametersätze wie beim Fügen mit artgleichem Partner. Das Fügen von Quarz-Saphir ist lediglich in einem Spalt < 200 nm erfolgreich. Eine Spaltverengung findet bei größeren Spalten kaum statt. Fehlerhafte oder abgelöste Schweißnähte führen Aufgrund der irreversiblen Aufwölbung während des Prozesses zu Rissen in darauffolgenden Nähten.



Mousto, Maxim;
Chromatisch-konfokale Sensorik für die simultane Abstands- und Neigungsmessung. - Ilmenau. - 66 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

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.



Gebhardt, Marco;
Fertigung kontinuierlicher Oberflächenprofile diffraktiver Strukturen mittels SLM-basierter maskenloser optischer Lithographie. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

In der Lithographie gibt es heutzutage viele Möglichkeiten, Photolack zu belichten. Meist geschieht dies jedoch über Masken, die aufwendig hergestellt werden müssen. Ein einfaches Verfahren für die Herstellung einzelner Mikrooptiken stellt die maskenlose Belichtung mittels eines SLM (Spatial Light Modulator) dar. Der SLM ist ein Flüssigkristalldisplay, bei dem jeder Pixel angesteuert und die Amplitude moduliert werden kann. So lässt sich eine flexible Maske für die zu belichtende Fläche erstellen, die variabel einsetzbar ist. Für das Fachgebiet Technische Optik der TU Ilmenau soll dieser experimentelle Aufbau mit dem SLM "Holoeye LC-R2500" realisiert werden. Dabei werden verschiedene Strukturen wie Siemenssterne in Binärlack und Graustufen in Grautonlack belichtet, um die Fähigkeiten und Grenzen des Systems zu charakterisieren. Die Belichtung einer Binärstruktur stellt das SLM-basierte System vor keine Herausforderung. Die Ansteuerung einer Graustufe hingegen zeigt die Grenzen des SLM auf. Der SLM schafft es nicht, für alle Pixel die lineare Helligkeitsantwort zu erreichen. Weiterhin wird die Wellenlängenabhängigkeit des SLM untersucht, insbesondere der Einfluss auf Kalibrierung und Dynamikbereich.



Mikrotechnischer Sensor zur Detektion strahlungsinduzierter Druckstöße. - Ilmenau. - 97 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

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.



Sens, Lisa Pauline;
Konzeption und Bau einer fokusvariablen Brille für Presbyope. - Ilmenau. - 111 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Ab einem Alter von ca. 45 Jahren nimmt die Fähigkeit ab, Objekte in der Nähe deutlich zu sehen. Diese Fehlsichtigkeit wird Presbyopie (umgangssprachlich: Altersweitsichtigkeit) genannt. Ziel dieser Arbeit ist die Konzeption und der Bau eines Prototyps einer fokusvariablen Brille zur Korrektur der Presbyopie. Handelsübliche multifokale Korrekturmittel, welche es ermöglichen über den gesamten Bereich von der Nähe bis in die Ferne deutlich zu sehen, weisen einige Nachteile auf. Der größte Nachteil ist, dass die Bereiche im Brillenglas durch die deutlich gesehen werden kann, lokal beschränkt sind. Bei einer fokusvariablen Brille existiert dieser Nachteil nicht. Deshalb wird in dieser Arbeit ein entsprechender Prototyp konzipiert. Der Prototyp wird mithilfe von fokusvariablen Linsen, einem Tiefensensor und einem Eyetrackingsystem umgesetzt. Dafür werden Schnittstellen zwischen den Komponenten, sowie Algorithmen für eine angenehme Einstellung des entfernungsabhängigen Korrekturwerts entwickelt und implementiert. Im Fokus steht hierbei der Nutzerkomfort, wofür der Prototyp in verschiedenen Varianten getestet wird. Die Tests zeigen, dass die Parameter für den größten Komfort stark nutzerabhängig sind. Deswegen sind die verschiedenen Einstellungsparameter individuell anpassbar. Der Prototyp ist so konstruiert, dass er als Brille tragbar ist. Der Tragekomfort des Prototyps kann durch eine Miniaturisierung verbessert werden. Dafür kann ein gezieltes Weglassen von Komponenten erreicht werden.



Wüster, Julian;
Gitter als Polarisationsstrahlteiler. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

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.



Zuther, Gerrit;
Grundlegende Untersuchungen zur Funktionalisierung photo-thermisch refraktiven Glases. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erarbeitung von Funktionsweisen sowie der Charakterisierung von Photo-thermisch-refraktiven (PTR) Glas. Anwendungen dieses Photosensitiven Materials finden sich zurzeit in den Umsetzungen verschiedenster volumenholographischer optischer Elemente, wie hochgradig Wellenlängen- und Winkelselektive Filter, Strahlteiler, Strahl-Kombinierer für Hochleistungs Mono- und Multi Wellenlängenbereiche. Im Rahmen dieser Arbeit sollen Prozessparameter zur Herstellung von volumenholographischen Elementen, auf Basis von PTR Glas, ausgearbeitet werden, was genaue Kenntnisse zu Abläufen im Material, als auch zu Funktionsweisen von Volumenhologrammen erfordert. Hierzu wurden ausgehend von theoretischen Beschreibungen des Materialverhaltens von PTR-Glas Methoden entwickelt, mit denen sich technisch relevante Designparameter zur zielgerichteten Fertigung von volumenholographischen Elementen ableiten lassen. Die dafür entwickelten Simulationen erfolgen über die Rigorouse coupled-wave analysis, welche in MATLAB^TM sowie Octave^TM umgesetzt worden sind. Die Optimierung von holographischen Belichtungsaufbauten durch die Weiterentwicklung einer Analysesoftware zur Auswertung der Phasenstabilität, stellt die Grundlage zur Untersuchung von zuverlässigen Belichtungsergebnissen, welche für Transmissions- und Reflexionsgitter gezeigt werden.



Wunsch, Lennard;
Alternative Beleuchtungskonzepte für Lichtschichtmikroskope. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

In der Lichtschichtmikroskopie wird die Fluoreszenz ausgenutzt um dreidimensionale Bilder mit einem hohen Kontrast zu erhalten. Dabei wird im Gegensatz zur konventionellen Mikroskopie eine Lichtschicht erzeugt. Dies führt dazu, dass in tieferen Schichten weniger Volumen beleuchtet wird und damit weniger Hintergrundstrahlung entsteht. Dabei spielt die Beleuchtungsverteilung eine entscheidende Rolle. Die meisten Systeme nutzen eine Zylinderlinse oder eine Kombination aus Spiegel und f-Theta Linse um eine Lichtschicht zu erzeugen. In dieser Arbeit wurden neue Konzepte der strukturierten Beleuchtung zur Steigerung von Kontrast und Eindringtiefe bei Lichtschichtmikroskopen erarbeitet. Dazu wird die Eignung des Talbot-Effektes und der selbstheilenden Eigenschaft von Besselstrahlen untersucht. Es wurden Simulationen zur Verwendung beider Ansätze in der Beleuchtung eines Lichschichtmikroskops durchgeführt, welche dann im Experiment umgesetzt wurden. Durch die Kombination aus Axicon und Gitter wurde in der 1. und -1. Beugungsordnung je ein Besselstrahl erzeugt. Eine Bewegung des Gitters entlang der optischen Achse hat es dabei ermöglicht durch ein Volumen zu scannen. Das fokussieren einer Talbot-Ebene zu einem Talbot-Teppich mit Hilfe einer Zylinderlinse konnte genutzt werden um eine in zwei Dimensionen strukturierte Beleuchtung zu realisieren. Dabei konnten die das System beeinflussenden Parameter ermittelt werden.



Reißmann, Frank;
Bildgebende optische Sensorik im UV-Bereich. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018

Abbildende optische Systeme sind in einzigartiger Weise für die Analyse und messtechnische Untersuchung chemischer und physikalischer Prozesse geeignet. Besonderheit ist dabei, dass z.B. durch die Aufnahme der abgestrahlten, elektromagnetischen Strahlung eine berührungslose und damit wechselwirkungsarme Prozessanalyse möglich ist. Zur Erweiterung der messtechnischen Möglichkeiten sind Untersuchungen auch außerhalb des Spektralbereiches des sichtbaren Lichtes wünschenswert. Beispielsweise können, durch die dynamische Erfassung und Visualisierung von Koronaentladungen, im tiefen ultravioletten Bereich, Defekte und Störungen an Freileitungen vorgebeugt werden. Ziel dieser Arbeit ist, die Untersuchung geeigneter Detektions- und Abbildungsstrukturen für die optische Sensorik im UV-Bereich. Aus diesem Grund wird zunächst ein fundamentales Verständnis zu den Möglichkeiten und Grenzen der UV-Detektion, hinsichtlich optischer Materialien, hoch transmittierender Optiken, sowie UV-empfindlicher Sensorik, erarbeitet. Aufbauend auf Grundlagen aus Halbleiterphysik, Licht und Optik werden die spektralen Grenzen, aktueller CCD- und CMOS-Techniken, aufgezeigt. Weiterhin wird die Backside Illuminated Technologie, sowie deren Vorteile für die UV-Detektion, vorgestellt. Der experimentelle Teil dieser Arbeit knüpft an Ergebnisse aus dem Pflichtpraktikum im Multimediazentrum der Friedrich-Schiller-Universität Jena an, welche hier diskutiert und betrachtet werden. Dabei ging es um die Visualisierung von Teilentladungen einer Spitze-Platte-Anordnung in Luft, bei Gleich- und Wechselstrombeanspruchung, in einem Kooperationsprojekt mit dem Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik der Technischen Universität Dresden. Als Detektor wurde hier eine Hochgeschwindigkeitskamera für das UV-Spektrum, mithilfe von Wellenlängenkonversion und einer geeigneten Fluoreszenzschicht, sensorseitig optimiert. Weiterhin sind vergleichende Versuche, mit einer zweiten, UV-empfindlichen Kamera, Bestandteil der Auswertung. Die Ergebnisse zeigen, dass viele Parameter für die Detektion von UV-emittierenden Quellen zu beachten sind, damit eine Visualisierung in geeigneter Form möglich ist.