Dissertationen

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung planar integrierter, asymmetrischer Multimode Wellenleiterverzweiger in Glas. Diese sind besonders interessant für Anwendungen in lokalen Datacom-Netzwerken, der Medizin und der Hochspannungstechnik. Als geeignetes Herstellungsverfahren wird der feldunterstützte Na+/Ag+ Ionenaustausch aus flüssigen Salzschmelzen untersucht. Hierbei werden Ag+ über die Oberfläche in das Glas eingebracht, um den Brechungsindex zu erhöhen. Durch die Verwendung von Masken, die via Photolithographie auf der Glasoberfläche aufgebracht werden, kann die Erhöhung des Brechungsindex lokal begrenzt werden, um optische Lichtwellenleiter herzustellen. Ein externes Feld beschleunigt den Ionenaustauschprozess, kann jedoch zu ungewünschten Verformungen der Wellenleiterprofile führen. Ein Simulationsmodell, basierend auf der Finite-Elemente-Methode, wird zur Berechnung der Lichtwellenleiterprofile entwickelt. Dieses bildet die Ionenaustauschprozesse anhand der Diffusionsgleichungen ab und erlaubt die Erstellung von dreidimensionalen planar integrierten Strukturen in Glas. Anschließend wird die Lichtausbreitung mittels wellenoptischer BPM-Simulation berechnet. Somit kann der experimentelle Aufwand signifikant reduziert werden und eine computergestützte Optimierung des Bauteildesigns erfolgen. Mit Hilfe des Modells werden vier verschiedene asymmetrische Multimode Verzweigervarianten entwickelt. Diese unterscheiden sich in ihrem Maskendesign und den gewählten Ionenaustauschparametern. Es wird untersucht, wie sich die Asymmetrie durch unterschiedliche Breiten der Verzweigerarme und deren Winkel steuern lässt. Ein neuartiger Ansatz, der ohne Maske und damit ohne Photolithographieprozess auskommt, wird vorgestellt. Hierbei wird ein Ultrakurzpuls-Laser genutzt, um Gräben in eine mit Silberionen angereicherte Schicht zu strukturieren. Der verbleibende Steg dient als Lichtwellenleiter. Für jede Verzweigervariante wird jeweils ein Funktionsmuster hergestellt. Die Wellenleiterprofile werden mittels eines Rasterelektronenmikroskops charakterisiert und anschließend werden die Ein- und Ausgänge der Verzweiger an optische Glasfaserkabel angekoppelt. Die Asymmetrie und die Verluste der Komponenten werden gemessen und mit den Simulationsergebnissen verglichen. Das Verhalten bei Datenraten von 28 Gbit/s wird experimentell bestimmt, um so die Eignung für den Einsatz in optischen Kommunikationsnetzwerken zu gewährleisten.

Diese Arbeit befasst sich mit der technischen Umsetzung zur Realisierung des Kilogramms nach der neuen Definition des Kilogramms von 2019. Im Stand der Technik wird die Geschichte des Kilogramms zurückverfolgt und es werden die wichtigsten Meilensteine der Wägetechnik vorgestellt. Anschließend werden verschiedene Ansätze zur Umsetzung der Realisierung des Kilogramms nach der neuen Definition aufgezeigt. Es werden die Grundlagen der hochpräzisen Massebestimmung einschließlich der Grenzen, Probleme und neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Wägetechnik dargestellt. Darüber hinaus werden die Grundlagen der absoluten Massebestimmung mit einer Planck-Waage nach der neuen Definition des Kilogramms dargestellt. Im weiteren Verlauf wird die Entwicklung einer Planck-Waage als Erweiterung eines handelsüblichen Hochvakuum-Massekomparators beschrieben. Dies ermöglicht die Bestimmung des Kilogramms nach der neuen Definition auf der Grundlage von Massekomparatoren, die mit langjähriger Erfahrung entwickelt und getestet wurden. Darüber hinaus können die Massekomparatoren weiterhin zur Aufrechterhaltung der Kalibrierkette nach der alten Definition des Kilogramms verwendet werden. Im Rahmen der Entwicklung dieser Planck-Erweiterung für Massekomparatoren wird die Entwicklung von Magnetsystemen eingehend diskutiert. Im weiteren Verlauf wird die allgemeine Funktionsweise des Systems vorgestellt und beschrieben und die Messmethodik erläutert. Die aus dem Hauptexperiment gewonnenen Messergebnisse werden im Rahmen einer detaillierten Datenanalyse vorgestellt und diskutiert. In der Schlussfolgerung werden die Ergebnisse diskutiert, bewertet und mögliche Verbesserungsvorschläge aufgezeigt und vorgestellt.

Diese Promotionsschrift befasst sich mit der experimentellen Untersuchung des Wärmetransports und Stofftransfers feuchter Luft mit Phasentransition an einer Oberfläche. Eine Motivation hierfür gibt unter anderem das vermehrte Auftreten von unerwünschter Kondensation innerhalb von Automobilscheinwerfern. Hierzu wird ein experimenteller Aufbau vorgestellt, der die physikalischen Prozesse abbildet, die für die Tropfenkondensation und die Verdampfung von Tropfen relevant sind. Der in dieser Arbeit untersuchte Parameterbereich umfasst 200 < Re < 1300, bei 0 < Gr < 108 und relative Luftfeuchten von 0.19 < ϕein < 0.85 (bei 25 ◦C). Das Geschwindigkeitsfeld im Zellinneren wurde mittels tomografischer Particle Image Velocimetry gemessen. Die Ergebnisse einer probabilistischen Analyse und einer Hauptkomponentenanalyse werden präsentiert. Hierbei zeigt sich, dass die erzwungene Strömung den internen Wärme- und Stofftransport dominiert, höhere Temperaturgradienten jedoch zu einer Stabilisierung beziehungsweise Symmetrieerhöhung der großskaligen Strömung führen. Zur Bestimmung des Massentransfers beim Kondensieren und Verdampfen werden drei Messmethoden vorgestellt. Die erste bilanziert die Menge an Wasser an Ein- und Auslass, die zweite wiegt die Wassermasse direkt, während die dritte Konturen einzelner Tropfen mittels eines Mikroskops misst. Die ersten beiden liefern Aussagen über die globale Entwicklung der Masse auf der Kühlplatte. Die optische Methode eröffnet Einblicke in die lokale Tropfendynamik. Auf Basis dieser Messergebnisse wird die Skalierung der Sherwood-Zahl in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl und der relativen Luftfeuchte am Einlass untersucht. Zusätzlich wurde eine dimensionslose Beschreibung des Anwachsens und Schrumpfens von Einzeltropfen auf der Oberfläche formuliert. Die Messergebnisse des sensiblen und des latenten Wärmestroms werden abschließend in einem 1D-Modell reproduziert, validiert und auf den konkreten Betriebsfall eines Serienscheinwerfers angewendet.

Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine nicht-invasive Technik zur Neuro-Modulation, bei der schwache Ströme durch Elektroden auf der Kopfhaut gesendet werden, um vorübergehend Eigenschaften des Gehirns zu verändern. Durch die gezielte Beeinflussung bestimmter kortikaler Bereiche haben Forscher tDCS eingesetzt, um Motorik, Emotionen, Gedächtnis, Sprachverarbeitung und verschiedene andere kognitive Funktionen zu beeinflussen. Konventionell wird bei der tDCS eine bipolare Standardmontage verwendet, um eine bestimmte Hirnregion von Interesse zu stimulieren, was in der Literatur zu unterschiedlichen Ergebnissen führte. In jüngster Zeit haben Optimierungsmethoden für die mehrkanalige tDCS (mc-tDCS) an Interesse gewonnen, die genau auf einen bestimmten Hirnbereich abzielen und das Potenzial haben, kontrolliertere und konsistentere Ergebnisse zu erzielen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger mc-tDCS-Ansatz, der Distributed Constrained Maximum Intensity Approach (D-CMI), vorgeschlagen, um die somatosensorische P20/N20-Zielquelle des menschlichen Gehirns im Brodmann-Areal 3b zu stimulieren. Um die P20/N20-Zielquelle im Brodmann-Areal 3b für die tDCS genau zu rekonstruieren, wird eine integrierte und kombinierte Magnetoenzephalographie (MEG) und Elektroenzephalographie (EEG) Quellenanalyse mit individualisierter, auf die Leitfähigkeit des Schädels kalibrierter realistischer Kopfmodellierung vorgeschlagen. Die D-CMI-Methode wird für die somatosensorische P20/N20-Zielquelle im Brodmann-Areal 3b zunächst in einer Simulationsstudie und dann in einer experimentellen Validierungsstudie untersucht. In der Simulationsstudie wurden simulierte elektrische Felder (EF) für die neue D-CMI-Methode und die bereits bekannten, dem Stand der Technik entsprechenden Maximalintensitäts- (MI) und Standard-Bipolarmethoden erzeugt und für die individualisierten somatosensorischen P20/N20-Ziele verglichen. Die praktische Anwendbarkeit des D-CMI-Ansatzes wird in einer experimentellen Studie zur Stimulation der somatosensorischen P20/N20-Zielquelle im Brodmann-Areal 3b getestet und mit bipolaren Standard-TDCS- und Sham-TDCS-Bedingungen verglichen. Für den Vergleich werden die Daten der mit dem Finger elektrisch stimulierten somatosensorisch evozierten Felder (SEF) vor und nach der Anwendung der drei verschiedenen tDCS-Bedingungen (D-CMI, bipolare Standard- und Sham-Bedingungen) aufgezeichnet. Insbesondere werden die 20ms SEF-Spitzenamplituden vor und nach der Anwendung der drei tDCS-Bedingungen verglichen, um die Leistung von D-CMI im Vergleich zu Sham und bipolarer Standard-TDCS zu testen. Die in dieser Arbeit aus der Simulationsstudie gewonnenen Ergebnisse zeigten, dass die individualisierten D-CMI mc-tDCS-Montagen im Vergleich zur bipolaren Standardmethode hohe Stromintensitäten am Ziel zeigten. Ein weiterer Aspekt der individualisierten D-CMI-Montagen ist die potenzielle Reduzierung von Nebenwirkungen und Hautempfindungen. In dieser Hinsicht berücksichtigt die D-CMI die wichtigsten Stimulationsparameter, wie z. B. eine hohe Zielgerichtetheit (DIR) mit dem Potenzial geringerer Hautsensationen und elektrischer Feldamplituden in entfernten Hirnarealen. Die statistischen Vergleiche der 20ms SEF-Spitzenamplituden aus der experimentellen Studie in dieser Arbeit zeigten, dass der D-CMI-Ansatz den bipolaren Standard-TDCS-Ansatz, der auf das somatosensorische Brodmann-Areal 3b abzielt, übertrifft. Eine reduzierte Hautempfindung und Konsistenz während des gesamten Experiments mit D-CMI-basierter Scheinkonditionierung war ebenfalls erfolgreich. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass die D-CMI-Methode in Verbindung mit einer hochindividualisierten Schädelkonduktivität, die durch eine realistische Kopfmodellierung kalibriert wird, zu einer besseren Kontrolle der Stimulationsergebnisse führen kann als die Standard-TDCS-Methoden. Eine integrierte kombinierte MEG- und EEG-Quellenanalyse mit D-CMI-Montagen für die mc-tDCS-Stimulation kann möglicherweise die Kontrolle und Reproduzierbarkeit verbessern und die Empfindlichkeitsunterschiede zwischen Schein- und realen Simulationen verringern.

Whispering gallery mode resonatoren werden für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen in der Industrie und im akademischen Bereich eingesetzt. Die Arbeit mit WGM ist mit Hürden wie die Herstellung, Charakterisierung und Anregung verbunden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Konzepte vorzustellen, um diese Hürden zu verringern. Die Herstellung von photonischen Strukturen beruht auf der Mikrofabrikationstechnik, die keine Kontrolle des Seitenwandwinkels erlaubt. Die Steuerung des Seitenwandwinkels in SiO2 bei gleichzeitig sehr geringer Oberflächenrauhigkeit würde einen neuen Freiheitsgrad ermöglichen und die Leistung photonischer Strukturen verbessern. Es wird eine systematische Untersuchung vorgestellt, die den riesigen Parameterraum des Ätzprozesses mit einem ”educated guessing”-Ansatz eingrenzt, bis DoE-Ansätze realisierbar werden. Dies geschieht in mehreren Schritten. Zur Untersuchung der verbleibenden Parameter wird eine Surface-Response-Methodology angewandt. Das erstellte Modell ist validiert und stimmt gut mit den Experimenten überein und kann daher zur Optimierung verschiedener Responsevariablen wie Seitenwandwinkel, Rauheit und Ätzrate verwendet werden. Die Substrattemperatur ermöglich die Kontrolle des Seitewandwinkels von 50&ring; bis 90&ring;. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dann in Kombination mit dem bereits vorhandenen Wissen in der Community genutzt, um die Fertigungsmöglichkeiten der Gruppe Technische Optik im Reinraum zu erweitern. Das SiO2-Verfahren ist auch für das Ätzen von Si3N4 mit hervorragenden Ergebnissen geeignet. Diese Mikrofabrikationstechniken werden dann für die Herstellung von 2,5D+ WGMRs eingesetzt. Es wird eine neue Charakterisierungstechnik vorgeschlagen, die die emittierten Photonen für die Analyse von WGM nutzt. Dazu wird eine Einzelphotonentechnologie wie die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung verwendet, die neben klassischen Intensitätsbildern auch die Aufnahme von räumlich aufgelösten Lebenszeitbildern ermöglicht. Ein experimenteller Aufbau wird konzipiert und realisiert. Aus fluoreszierendem Material hergestellte WGMs werden mit den vorgeschlagenen Techniken angeregt und analysiert; durch die Analyse der Lebensdauern können die Q-Faktoren der WGMs bestimmt werden. Schließlich wird ein alternativer Weg zur Einkopplung von Licht in WGM vorgeschlagen, der monolithisch integrierte DOE auf WGM verwendet. Aufgrund eines fehlenden theoretischen Rahmens werden Simulationen durchgeführt, um DOE und WGM separat zu modellieren. Die vorgeschlagenen Elemente werden mit den entwickelten Mikrofabrikationsverfahren hergestellt und mit dem neuartigen Charakterisierungsaufbau analysiert.