Aktive Mikrooptiken auf Basis durchstimmbarer Dünnschichtresonatoren

Metz, Philipp

Aktive Mikrooptiken in Form integrierter Bauteile werden immer wichtiger für moderne Technologien. Polymerbasierte Ansätze bieten hierbei eine vielversprechende und kostengünstige Plattform. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Potential elektrothermisch durchstimmbarer, elastomerbasierter Fabry-Perot- bzw. Gires-Tournois-Resonatoren als Kernelemente für vier verschiedene Typen aktiver Mikrooptiken untersucht. Die Bauelemente durchstimmbare Blende, durchstimmbares Dispersionselement, das auf Phasenfeld-induzierender Mehrfachreflexion basiert (engl. virtually imaged phased array, VIPA), Aktuator zur Strahlpositionierung und Fokusaktuator werden durch analytische Modelle, numerische Simulationen und messtechnische Charakterisierung hergestellter Exemplare im Rahmen dieser Arbeit analysiert. Es werden durchstimmbare Blenden realisiert, die den resonanzbedingten Transmissionsgrad eines lateral strukturierten Fabry-Perot-Resonators nutzen. Messtechnisch wurde eine lokale Lichtabschwächung von 10:1 erreicht, die jedoch insgesamt von Lichtverlust, thermischem Übersprechen und Oberflächendeformation begleitet ist. Der nutzbare Aperturbereich hängt von der Resonatorgüte und Resonatordicke ab (z.B. Divergenz <10° für Kontrastverhältnisse >10:1 bei Schichtdicken >10µm). Erstmals werden durchstimmbare VIPA demonstriert, die als winkeldispersive Bauteile aufgrund ihrer größeren Schichtdicke >100µm eine sehr hohe Durchstimmbarkeit bei bereits geringer Temperaturerhöhung (<10K) zeigen. Es wird gezeigt, dass kleine Bauteilkippwinkel dies begünstigen. VIPA reagieren jedoch empfindlich auf Herstellungsungenauigkeiten, wodurch noch Optimierungspotential gegeben ist. Ein durchstimmbarer Superprismaeffekt, der bereits an Multischichtstrukturen gezeigt wurde, wird in dieser Arbeit an einfachen Ein-Schicht-Resonatoren demonstriert und für Aktuatoren zur Strahlpositionierung eingesetzt. Es wird eine Strahlverschiebung erreicht, die den Strahlradius übersteigt. Resonatorgüte, Schichtdicke und Strahldivergenz stehen in einem engen Zusammenhang für einen optimalen und aberrationsarmen Effekt. Dünne Resonator- und Silberschichtdicken begünstigen den Effekt. Weiterhin werden unter Nutzung des Superprismaeffekts an Ein-Schicht-Resonatoren Fokusaktuatoren realisiert, die einen messbaren Durchstimmbereich im Millimeterbereich aufweisen. Messungen und Simulationen zeigen, dass sich dieser jedoch eingeschränkt innerhalb der Schärfentiefe des eingesetzten Lichtstrahls bewegt und Strukturen mit höherer Dispersion erfordert. Durch Analysen wird gezeigt, dass alle Resonatoren bedingt durch die Silberreflektoren eine Polarisationsabhängigkeit und Absorption besitzen, die durch zusätzliche Diffusion von Metall ins Elastomer verstärkt wird und die Resonatorgüte reduziert. Simulationen zeigen Verbesserungs-potential durch Verwendung dielektrischer Spiegel und präzisere Herstellungsmethoden. Unter Aktuierung tritt neben einer schnellen Kurzzeiterwärmung (τ ≈ 0,3-1s) auch eine substratbedingte Langzeiterwärmung (τ ≈ 10s) auf, die in einer Anwendung berücksichtigt werden muss. Die vorgestellten Mikrooptiken sind - mit Ausnahme des VIPA - nur für monochromatische Anwendungen geeignet. Der simple Aufbau und das Integrationspotential verspricht eine Plattform einfacher und kostengünstiger, aktiver optischer Elemente für zukünftige Anwendungen.

Modern technologies profit increasingly from integrated adaptive devices such as active micro-optics. Here, polymer-based approaches offer a promising low-cost platform. Within the scope of this work the potential of elastomer-based, electrothermically tunable Fabry-Perot and Gires-Tournois resonators as key components for four different active micro-optic types are investigated. Particularly, tunable aperture stops, tunable virtually imaged phased arrays (VIPA), beam shift actuators and focus actuators are subject to analytical modeling, numerical simulations and experimental characterization. Based on the resonant transmission of laterally structured Fabry-Perot resonators, tunable aperture stops are demonstrated. Measurements show a localized light attenuation with a contrast ratio of 1:10, but an overall light loss, thermal cross-talk and surface deformation is involved. The useable aperture depends on resonator cavity thickness and resonator quality (e.g. a divergence <10° allows for a >10:1 contrast ratio at >10µm cavity thickness). For the first time, tunable VIPA are demonstrated showing a high tunability at a low temperature increase (<10K), which is a result of the comparably high cavity thickness (>100µm). For low VIPA tilts an enhanced tunability was observed. However, the devices are sensitive to fabrication inaccuracies, which offers further potential for optimization. A tunable superprism effect, as already analyzed in multilayer structures, is demonstrated at simple single-cavity resonators and is utilized for beam shift actuators. A beam shift exceeding the beam waist is shown. An optimum effect at low beam aberrations requires a defined balancing of resonator quality, cavity thickness, and beam divergence. A thin resonator cavity and thin silver layers lead to an optimized effect. Furthermore, the superprism effect is utilized for Fabry-Perot-based focus actuators. A tuning range in the millimeter regime is achieved. Simulations and measurements reveal a limited tuning range within the employed beam's depth of focus, which requires structures with higher dispersion. Deeper device analyses show a polarization sensitivity and absorption due to the silver layers. Absorption is additionally increased by metal-polymer diffusion layer formation reducing the resonator quality. Numerical simulations reveal an improvement by using dielectric mirrors and more accurate fabrication. Furthermore, a short term (τ ≈ 0,3-1s) and long term (τ ≈ 10s) process (conditioned by substrate) upon tuning is shown, which must be considered in an application. Except for the VIPA, the proposed micro-optics are only suitable for monochromatic applications. The simple design and integration capability promise a simple and low-cost platform for active optical elements in future applications.

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Metz, Philipp: Aktive Mikrooptiken auf Basis durchstimmbarer Dünnschichtresonatoren. 2013.

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