Fabrication of Micro-Axicons by laser lithography. - 81 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Axikone wurden 1954 erstmals unter diesem Namen erwähnt, wobei alle Elemente, die Licht auf die optische Achse fokussieren eingeschlossen sind. Der Name "Axikon" ist eine Kombination der griechischen Worte für Achse und Bild. Kegelförmige Linsen werden jetzt üblicherweise als Axikone bezeichnet. Ihr Verhalten und die Gestaltungsmöglichkeiten wurden vielseitig untersucht, wobei hauptsächlich refraktive Elemente betrachtet werden. Durch ihre kegelförmige Gestalt sind sie gut für die Erzeugung von so genannten Besselstrahlen geeignet. Lithographietechniken ermöglichen die Herstellung von beliebigen Phasenprofilen auf ebenen Oberflächen. Mit Hilfe dieser Technologie können auch Mikroaxikone hergestellt werden, wenn die notwendige Phasenfunktion bekannt ist. Deshalb wird ein diffraktiver Ansatz für die Herstellung von Axikonen mittels Laserstrahllithographie vorgeschlagen. Die hergestellte Struktur wird mittels mechanischen und optischen Oberflächenmessungen charakterisiert. Die hauptsächlich festgestellten Herstellungsfehler als auch das ideale Profil werden simuliert. Die simulierte Strahlausbreitung wird mit den experimentellen Beobachtungen verglichen. Die experimentellen Ergebnisse stimmen gut mit der Simulation überein.
Universeller Messaufbau zur ortsaufgelösten Charakterisierung von Dünnschichtinterferenzsystemen. - Online-Ressource (PDF-Datei: 69 S., 4,39 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2009
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem konstruktiven Entwurf und der Erprobung eines universellen Messaufbaus, welcher in Verbindung mit einem Mehrkanalspektralfotometer eine ortsaufgelöste Charakterisierung von Dünnschichtinterferenzsystemen ermöglicht. Für die spektralfotometrische Untersuchung solcher Interferenzfilter werden die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge der Dünnschichtoptik erarbeitet, damit die bei der experimentellen Erprobung erhaltenen Messwerte wissenschaftlich analysierbar sind. Es wird detailiert auf messtechnische sowie optische Zusammenhänge eingegangen. Am Ende wird eine Einschätzung der spektralen und fotometrischen Genauigkeit des verwendeten Spektralfotometers vorgenommen.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=13359
Freiformflächen im Optikdesign - Theorie, Berechnung und Anwendungen. - 53 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Diese Diplomarbeit soll einen Überblick über die aktuellen Möglichkeiten der Darstellung und Optimierung von Freiformflächen im Optikdesign geben. Dabei werden verschiedene Darstellungsformen solcher Oberflächen betrachtet und auf ihre Eigenschaften hin untersucht. Die Möglichkeiten aktueller Optikdesign-Software diese Flächenformen darzustellen und zu optimieren wird analysiert. Anschließend wird ein kurzer Ausblick auf die Tolerierung von Freiformflächen gegeben und der Designprozess wird an einem konkreten Beispiel aufgezeigt.
Theoretische Untersuchungen zum Entwurf und zur Charakterisierung adaptiver Beleuchtungssysteme für Lichtquellen auf LED-Basis. - 98 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Ziel dieser Diplomarbeit war es, theoretische Untersuchungen zum Entwurf und zur Charakterisierung adaptiver Beleuchtungssysteme für Lichtquellen auf LED-Basis durchzuführen. Hierbei wurden mehrere Optikkonzepte entwickelt, bewertet und anschließend miteinander verglichen. Für das vielversprechendste Konzept wurden außerdem detailliertere Betrachtungen zu den Eigenschaften der Optik und zu konstruktiven Gesichtspunkten durchgeführt.
Untersuchung optimierter Lichverteilungen für optische Pinzetten. - 69 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Ein strahlenoptisches Modell wurde entwickelt, um beliebige Beleuchtungssituationen in optischen Pinzetten zu simulieren. Ein dafür entwickeltes Computerprogramm bildet das Modell ab. Im Programm sind beliebige Lichtquellenformen mit beliebigen Intensitätsprofilen definierbar. Das Programm arbeitet nach einem RayTracing Prinzip. Die dreidimensionale Kraft auf eine beleuchtete Kugel kann an einer beliebigen Position im Raum berechnet werden. Variable grafische Darstellungsmöglichkeiten stehen für die Ausgabe der Ergebnisse zur Verfügung. - Im Rahmen dieser Arbeit werden vier verschiedene Intensitätsprofile untersucht und miteinander verglichen. Die Kraft wird in Beiträge des Intensitätsprofils und des Winkelspektrums des Strahlenbündels zerlegt. Es kann somit eine unabhängige Bewertung von Intensitätsverteilung und geometrischen Gesichtspunkten erfolgen. Es kann festgestellt werden, dass ein großer Konvergenzwinkel der Lichtquelle sowie eine hohe Intensität der Randstrahlen zu hohen Fangkräften der optischen Pinzette führen. Ausschließlich intensitätsreiche Randstrahlen genügen nicht, um Partikel stabil zu fixieren. Sie erhöhen aber die Kraft, falls ein ausreichender Konvergenzwinkel vorhanden ist. - Bei einem Konvergenzwinkel von 70&ayn; kann über die qualitative Veränderung des Intensitätsprofils (Erhöhung der Intensität der Randstrahlen) eine Effizienzsteigerung um bis zu 30% im Vergleich zu Pinzetten mit gaußschen Intensitätsprofilen erreicht werden. - Mit Hilfe der Simulationsumgebung können auch unübliche Lichtverteilungen untersucht werden. Ein Vertreter, welcher einen unscharfen Fokusbereich darstellt, wurde zusätzlich analysiert. Eine Effizienzsteigerung für diese Art der Beleuchtungssituation konnte nicht festgestellt werden.
Auflösungssteigerung in digitalen Hologrammen. - 112 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Vorteile wie die berührungsfreie, dreidimensionale, flächenhafte und hoch präzise Vermessung machen die digitale Holografie für einen breiten Anwendungsbereich innerhalb der Vermessung von Oberflächen bzw. von Oberflächendeformationen sehr interessant. Ein Nachteil den die digitale Holografie gegenüber der konventionellen Holografie hat, ist die deutlich geringere räumliche Auflösung des Aufnahmemediums. In dieser Diplomarbeit sollen mittels Subpixel-Verfahren und dem Verfahren zur Empfängervergrößerung zwei Möglichkeiten beschrieben werden, die die räumliche Auflösung digitaler Hologramme verbessern. Durch Anwendung beider Verfahren wird, zusammen mit der anhaltenden Auflösungsverbesserung der digitalen Kameras, es in den nächsten Jahren möglich sein, die Auflösung der konventionellen Holographie zu erreichen. In dieser Diplomarbeit werden zunächst mit dem Subpixel-Verfahren und dem Verfahren zur Empfängervergrößerung zwei Möglichkeiten abgeleitet, die theoretisch das Potential zu einer Auflösungssteigerung haben. Ausgehend vom physikalischen Wirkprinzip wird zu jedem Verfahren ein Versuchsaufbau abgeleitet. Die durchgeführten Messungen und deren Auswertung zeigten welches Potential in beiden Verfahren steckt. Es konnte bewiesen werden dass die theoretisch erwarteten Verbesserungen auch praktisch umgesetzt werden konnten. Mit einer detailierten systemtheoretischen Analyse konnten beispielsweise auftretende Aliasing-Effekte nachvollzogen werden.
Realisierung eines Lasersystems durch Resonatorkopplung. - 87 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Verfahren zur Kombination mehrerer Laserquellen zur Leistungssteigerung werden häufig eingesetzt, wenn einzelne Laser den Ansprüchen nicht mehr genügen. Um neben der Leistungsaddition eine Zunahme der Komplexität der Wellenfront zu vermeiden, müssen zueinander kohärente Quellen kombiniert und ihre Phasenlage kontrolliert werden. Eine Möglichkeit zur internen Vereinigung zweier Laser ist der 4-Arm-Resonator. Er unterstützt zwei Supermoden, deren Eigenschaften dazu genutzt werden können, die Ausgangsleistung auch ohne Kontrolle der Phasenlage zu erhöhen. In dieser Arbeit wurde eine Abwandlung eines solchen 4-Arm-Resonators experimentell untersucht, mit dem Ziel, entweder einen spontanen Modenwechsel oder Effekte, die ihn verhindern, nachzuweisen.
Realisierung modulierter Sub-Wellenlängenstrukturen mittels Interferenzlithographie. - 64 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Binäre Subwellenlängengitter zeichnen sich in verschiedenen Studien durch ihre hohe Beugungseffizienz auch für kleinere Verhältnisse zwischen Gitterperiode und Wellenlänge und unter stark variierenden Wellenlängen oder Einfallswinkeln besonders aus. Allerdings ist eine häufige Anwendung solcher Gitter, auf Grund der Schwierigkeiten bei der Herstellung, schwer zu realisieren. - In dieser Arbeit wurde das interferenzlithographische Verfahren als eine neue Möglichkeit für die kostengünstigere Herstellung von modulierten Subwellenlängengittern untersucht. Mit Hilfe eines 266 nm DUV-Lasers und des positiven Resists Shipley UV 210 wurden zweidimensionale binäre Sinusgitter mit einer Periode von 2 æm als Lackmaske erzeugt. Durch RIBE-Ätzen wurden die Strukturen ins Substrat (hier Quarzglas) übertragen. - Nach Optimierung der Prozessparameter gelang es, stabile Strukturen in einer Lackschicht zu generieren. Beim Ätzen der Substrate konnten bereits gute Ergebnisse erzielt werden, die allerdings wegen der anspruchsvollen Technologie noch nicht im völligen Einklang mit den erwarteten Gitterstrukturen lagen. - Durch theoretische Berechnung wurde die Beugungseffizienz eines sinusmodulierten 1D-Subwellenlängengitters mit der eines topographischen Sinusgitters verglichen. Die Effizienz beim Subwellenlängengitter ist zwar nicht immer besser als beim Sinusgitter, aber viel stabiler gegen Änderung der Wellenlänge oder des Einfallswinkels. Die Beugungseffizienz der hergestellten Gitter wurde unter verschiedenen Bedingungen gemessen und ist im Allgemeinen geringer und schwankender als die berechnete.
Hybride diffraktiv-refraktive optische Systeme - Theorie, Berechnung und spezielle Anwendungen. - 170 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Hybride diffraktiv-refraktive optische Systemen zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl refraktive als auch diffraktive Elemente enthalten und dadurch die Vorteile dieser unterschiedlichen Elementgruppen vereinen. Besonders für polychromatische Abbildungsaufgaben entwickelte Systeme können von dieser Technologie profitieren, da sie eine besonders einfache Farbfehlerkompensation erlaubt. Die für das Verständnis der speziellen Effekte nötige Theorie wird zunächst für refraktive Systeme entwickelt und anschließend auf diffraktive Elemente übertragen, was einen effektiven Vergleich der unterschiedlichen Farbfehlerursachen und -kompensationsmöglichkeiten beim Einsatz diffraktiver und refraktiver Elemente ermöglicht. Allerdings ist es nicht immer wünschenswert den Farbfehler zu minimieren. Bei hyperchromatischen Systemen wird vielmehr versucht, diesen gezielt zu maximieren, um mit polychromatischem Licht eine zusätzliche räumliche Tiefeninformation zu erhalten. Die theoretische Leistungsfähigkeit refraktiver, diffraktiver und hybrider Hyperchromate wird deshalb ermittelt und in einem Vergleich gegenübergestellt. Beim Einsatz diffraktiver Elemente ist dabei stets die Beugungseffizienz zu berücksichtigen, die einen bedeutenden Einfluss auf die Effizienz des Gesamtsystems hat. Die Wirkung der diesbezüglich wichtigsten Parameter wie Wellenlänge, Beugungsordnung sowie die eingesetzte Herstellungstechnologie wird auf Basis der skalaren Beugungstheorie ausführlich erläutert. Losgelöst von den vorherigen Überlegungen bietet die Bearbeitung einer praktischen Laserstrahlformungsaufgabe einen Einblick in verschiedene Aspekte der Synthese optischer Systeme. Nach einer Einführung in die Theorie der Laserstrahlformung und Laserstrahlfokussierung werden optimierte Beleuchtungsvarianten für ein thin sheet laser imaging microscope (TSLIM) entwickelt. Die aus dem Variantenvergleich als Sieger hervorgehende und auf Mikroskopobjektiven basierende Variante wurde am TSLIM-System der University of Minnesota umgesetzt. Messungen zeigen, dass mit diesem optimierten Beleuchtungssystem wesentlich kleinere Lichtschichtdicken erreichbar sind, wodurch die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems erheblich verbessert wird.
Lithographische Herstellung analoger Oberflächen mittels Phasenkontrast-Halbtonmasken. - 76 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
In der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der Belichtung mittels Phasenkontrast-Halbtonmasken für die Herstellung von diffraktiv-optischen Elementen genutzt. Dieser Maskentyp enthält ausschließlich transparente und opake Bereiche, ermöglicht jedoch trotzdem die Herstellung mehrstufiger Oberflächenprofile mit quasianalogem Verhalten in einem Verfahrensschritt. Die für die Belichtung benötigte Intensitätsverteilung wird hierbei in der ersten Beugungsordnung der verwendeten Maske erzeugt. Die Kodierung der Intensitätsverteilung erfolgt über die Breite transparenter oder opaker Bereiche in so genannten Einheitszellen auf der Maske. Die theoretischen Grundlagen hierfür sind im Bereich von computergenerierten Hologrammen (CGH) [Loh67, Bro66] sowie dem interferometrischen Phasenkontrastverfahren [Tes08] zu finden. Für die Herstellung der Strukturen wurde der Photolack SX AR-P 3500/6 verwendet. Von diesem standen zwei Muster zur Verfügung. Eines in einer bereits seit August 2005 geöffneten Flasche sowie ein weiteres in einer neuen, noch ungeöffneten Flasche. Für beide wurde das Ansprechverhalten auf verschiedene Belichtungsdosen charakterisiert. Ergebnis dieser Untersuchungen ist die d(E)-Kennlinie des Photolacks, welche die Abhängigkeit der Profiltiefe d von der in den Lack eingebrachten Energie E darstellt. Weitere Untersuchungen beziehen sich auf die Unebenheit (Rauheit, Welligkeit) der Lackoberfläche für verschiedene Regime bei der Beschichtung im Spin-Coating Verfahren. Außerdem wurde die Brechzahl der auf das Substrat aufgebrachten Lackschicht bestimmt. Ausgehend von diesen Untersuchungen wurde ein Standardregime (Anhang A.1) für die Belackung des Substrats festgelegt. Die Untersuchungen ergaben außerdem, dass das alte Muster des Photolacks der gestellten Forderung eines flachen Anstiegs der d(E)-Kennlinie stärker entsprach als das neue Lackmuster. Das alte Lackmuster wurde somit als Standardlack für die Belichtung verwendet. Kernpunkt dieser Arbeit war die Entwicklung eines Algorithmus für die Anpassung der verwendeten Maske an die Charakteristika der am Belichtungsprozess teilhabenden Komponenten. Dies ist zum einen das charakteristische Verhalten des Photolacks während der Belichtung, ausgedrückt in der d(E)-Kennlinie. Zum anderen der für Phasenkontrast-Halbtonmasken charakteristische, kosinusförmige Verlauf der Intensität in Abhängigkeit zu Größe der Öffnungen einer Einheitszelle auf der Maske. Der Algorithmus wurde in der Programmiersprache Visual Basic (VBA) realisiert. Verwendete Masken wurden hiermit angepasst. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mittels angepasster Phasenkontrast-Halbtonmasken Strukturen wie z.B. Fresnel-Linsen und "blaze"-Gitter lithographisch im Photolack hergestellt. Die Charakterisierung der Strukturen erfolgte hinsichtlich Morphologie mittels Mikroskop und Profilometer. Außerdem wurde das Beugungsverhalten der Strukturen aufgenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass mittels Belichtung durch angepasste Phasenkontrast-Halbtonmasken mehrstufige Oberflächenprofile mit guter Qualität erzeugt werden können. Einzig die Rauheit der Oberfläche erzeugter Strukturen muss bemängelt werden. Die schlechte Qualität der Oberflächenstruktur kann mit dem Einsatz eines Lasers als Lichtquelle bei der Belichtung erklärt werden. Dieser besitzt eine hohe zeitliche Kohärenz, welche zu unerwünschten Interferenzeffekten, Speckle, in der Intensitätsverteilung führt. Der Einsatz von Lichtquellen mit geringer zeitlicher Kohärenz konnte nicht realisiert werden. Durch die Erzeugung der erwünschten Intensitätsverteilung in der ersten Beugungsordnung der Phasenkontrast-Halbtonmaske kommt es während der Belichtung zu großen Leistungsverlusten. Um praktikable Belichtungszeiten zu erreichen, ist die Belichtung nur mit Lichtquellen großer Leistungsdichte möglich. Dieser Forderung hat von den im Fachgebiet vorhandenen Lichtquellen nur der Laser entsprochen. Das Ziel der Arbeit, die Herstellung von DOE mittels angepasster Phasenkontrast-Halbtonmasken konnte erreicht werden. Um die Qualität der herstellbaren Strukturen zu erhöhen, müssen Anstrengungen unternommen werden, die für die Belichtung der Maske verwendete Intensitätsverteilung weiter zu homogenisieren. Dies könnte über die Verwendung anderer Lichtquellen oder Veränderungen im Versuchsaufbau, beispielsweise über die Verwendung einer rotierenden Taumelplatte zur Verringerung der zeitlichen Kohärenz, realisiert werde. Kurzfristig wäre jedoch auch die Entwicklung eines Reflow-Prozesses denkbar, um das raue Oberflächenprofil zu glätten. Um Strukturen in das Substrat übertragen zu können, müssten Untersuchungen hinsichtlich Selektivität von Substrat und Photolack bei Trockenätzprozessen angestellt werden. Die dabei erzielten Ergebnisse können in den zur Anpassung der Masken aufgestellten Algorithmus einfließen.