Characterization of Novel Fabry Pérot Filter Arrays for Nanospectrometers in Medical Applications

Optische Spektroskopie ist eine sehr wichtige Messtechnik mit einem hohen Potential für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Wissenschaft. Kostengünstige und miniaturisierte Spektrometer z.B. werden besonders für moderne Sensorsysteme “smart personal environments” benötigt, die vor allem in der Energietechnik, Messtechnik, Sicherheitstechnik (safety and security), IT und Medizintechnik verwendet werden. Unter allen miniaturisierten Spektrometern ist eines der attraktivsten Miniaturisierungsverfahren das Fabry Pérot Filter. Bei diesem Verfahren kann die Kombination von einem Fabry Pérot (FP) Filterarray und einem Detektorarray als Mikrospektrometer funktionieren. Jeder Detektor entspricht einem einzelnen Filter, um ein sehr schmales Band von Wellenlängen, die durch das Filter durchgelassen werden, zu detektieren. Ein Array von FP-Filter wird eingesetzt, bei dem jeder Filter eine unterschiedliche spektrale Filterlinie auswählt. Die spektrale Position jedes Bandes der Wellenlänge wird durch die einzelnen Kavitätshöhe des Filters definiert. Die Arrays wurden mit Filtergrößen, die nur durch die Array-Dimension der einzelnen Detektoren begrenzt werden, entwickelt. Allerdings erfordern die bestehenden Fabry Pérot Filter-Mikrospektrometer komplizierte Fertigungsschritte für die Strukturierung der 3D-Filter-Kavitäten mit unterschiedlichen Höhen, die nicht kosteneffizient für eine industrielle Fertigung sind. Um die Kosten bei Aufrechterhaltung der herausragenden Vorteile der FP-Filter-Struktur zu reduzieren, wird eine neue Methode zur Herstellung der miniaturisierten FP-Filtern mittels NanoImprint Technologie entwickelt und präsentiert. In diesem Fall werden die mehreren Kavitäten-Herstellungsschritte durch einen einzigen Schritt ersetzt, die hohe vertikale Auflösung der 3D NanoImprint Technologie verwendet. Seit dem die NanoImprint Technologie verwendet wird, wird das auf FP Filters basierende miniaturisierte Spectrometer nanospectrometer genannt. Ein statischer Nano-Spektrometer besteht aus einem statischen FP-Filterarray auf einem Detektorarray (siehe Abb. 1). Jeder FP-Filter im Array besteht aus dem unteren Distributed Bragg Reflector (DBR), einer Resonanz-Kavität und einen oberen DBR. Der obere und untere DBR sind identisch und bestehen aus periodisch abwechselnden dünnen dielektrischen Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Die optischen Schichten jeder dielektrischen Dünnfilmschicht, die in dem DBR enthalten sind, entsprechen einen Viertel der Design-Wellenlänge. Jeder FP-Filter wird einer definierten Fläche des Detektorarrays zugeordnet. Dieser Bereich kann aus einzelnen Detektorelementen oder deren Gruppen enthalten. Daher werden die Seitenkanal-Geometrien der Kavität aufgebaut, die dem Detektor entsprechen. Die seitlichen und vertikalen Dimensionen der Kavität werden genau durch 3D NanoImprint Technologie aufgebaut. Die Kavitäten haben Unterschiede von wenigem Nanometer in der vertikalen Richtung. Die Präzision der Kavität in der vertikalen Richtung ist ein wichtiger Faktor, der die Genauigkeit der spektralen Position und Durchlässigkeit des Filters Transmissionslinie beeinflusst.

Konstruktive und funktionale Entwicklung eines selbststeuernden Unterflurbewässerungsverfahrens

Unter Einfluss des gegenwärtigen Klimawandels sowie dem Anstieg der Erdbevölkerung ist der effiziente Umgang mit den vorhandenen Wasserressourcen ein zentrales Thema in der Bewässerungslandwirtschaft. Die Unterflurbewässerung ist ein seit Jahrtausenden bekanntes Verfahren, bei dem das Bewässerungswasser unterhalb der Erdoberfläche aufgebracht wird und der Pflanze direkt im Wurzelraum zur Verfügung steht. Die Gefäßbewässerung ist ein selbststeuerndes Verfahren wobei die Wassergabe aus dem unglasierten Tongefäß aufgrund der im umgebenden Boden anliegenden Saugspannung erfolgt. Diese wassersparende und dem Wasserbedarf der Pflanze angepasste Bewässerungsweise ist Grundlage der Überlegungen und Untersuchungen der vorliegenden Arbeit. Ausgehend von dem Gedanken der Kombination der Vorteile der Gefäßbewässerung mit denen moderner Materialien, die eine maschinelle Installation ermöglichen und eine lange Lebensdauer aufweisen, wurde die Entwicklung einer selbststeuernden Bewässerung verfolgt. Materialrecherchen und eine Auswahl als geeignet identifizierter Materialien führten zu Laboruntersuchungen an Hand derer die Darcy-Eigenschaften (linearer Zusammenhang zwischen Volumenstrom und anliegendem Druck) überprüft wurden. Membranen erwiesen sich danach als geeignet, so dass an einer ausgewählten Schlauchmembran weitergehende Untersuchungen zum Einsatz für die Bewässerung vorgenommen wurden. Diese umfassten Langzeitlaborversuche im Boden zur Untersuchung der Entwicklung der Durchlässigkeit der Schlauchmembran über die Zeit, sowie zum Nachweis der Selbststeuerung des Systems. Mit den gewonnenen Ergebnissen war es möglich großmaßstäbliche Versuche im Gewächshaus zu realisieren, bei der die Schlauchmembran im Vergleich zur Tropfbewässerung hinsichtlich Wasserverbrauch und Ernteertrag an Standorten in Deutschland und Algerien getestet wurde. Diese Gewächshausversuche zeigten vielversprechende Ergebnisse für die Membranschlauchbewässerung mit im Vergleich zur Tropfbewässerung erhöhten Erträgen bei gleichzeitig geringerem Wasserverbrauch. Dies wurde besonders bei Verwendung von Bewässerungswasser mit erhöhtem Salzgehalt deutlich. Sorgfältiger Beachtung bedarf die Wasserqualität, da die Membranschlauchbewässerung auf Wasserverunreinigungen mit Durchflussverminderung reagiert, die sich nachteilig auf die Pflanzenentwicklung auswirkt. Aufgabe weiterer Forschungen muss es demnach sein, technische Verfahren zu entwickeln, die die langfristige Leistungsfähigkeit der Membran im Bewässerungsbetrieb aufrechterhalten.