Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Polarisation von Licht im Physikunterricht : ein Elementarisierungsansatz zur Einführung in quantenphysikalische Begriffe und Prinzipien

In der vorliegenden Arbeit wird ein Unterrichtskonzept für die gymnasiale Oberstufe beschrieben, das anhand der Polarisationseigenschaft des Lichts von der Beobachtung ausgehend einen Zugang zur Quantenphysik ermöglicht. Die Unterrichtsinhalte bauen so aufeinander auf, dass ein "harter Bruch" zwischen der klassischen und der quantenphysikalischen Beschreibung von Licht vermieden wird. Das methodische Vorgehen des Unterrichtskonzeptes führt vom Phänomen ausgehend zu quantitativen Experimenten hin zu einer Einführung in quantenphysikalische Begriffe und Prinzipien. Dabei bildet der elektrische Feldvektor die Verknüpfung zwischen der klassischen und der quantenphysi-kalischen Beschreibung der Polarisationsexperimente, in dem er zunächst die Polarisationsexperimente beschreibt und im weiteren Verlauf des Unterrichtsganges als Wahrscheinlichkeitsamplitude gedeutet wird. Die Polarisation von Licht wird zu Beginn des Unterrichtsganges im Rahmen eines fächerübergreifenden Kontextes eingeführt, wobei die Navigation der Insekten nach dem polarisierten Himmelslicht als Einstieg dient. Die Erzeugung und die Eigen-schaften von polarisiertem Licht werden anhand von einfachen qualitativen Schüler- und Demonstrationsexperimenten mit Polarisationsfolien erarbeitet. Das Polarisationsphänomen der Haidinger-Büschel, das bei der Beobachtung von polarisiertem Licht wahrgenommen werden kann, ermöglicht eine Anbindung an das eigene Erleben der Schülerinnen und Schüler. Zur Erklärung dieser Experimente auf der Modellebene wird der elektrische Feldvektor und dessen Komponentenzerlegung benutzt. Im weiteren Verlauf des Unterrichtsganges wird die Komponentenzerlegung des elektrischen Feldvektors für eine quantitative Beschreibung der Polarisationsexperimente wieder aufgegriffen. In Experimenten mit Polarisationsfiltern wird durch Intensitätsmessungen das Malussche Gesetz und der quadratische Zusammenhang zwischen Intensität und elektrischem Feldvektor erarbeitet. Als Abschluss der klassischen Polarisationsexperimente wird das Verhalten von polarisiertem Licht bei Überlagerung in einem Michelson-Interferometer untersucht. Das in Abhängigkeit der Polarisationsrichtungen entstehende Interferenzmuster wird wiederum mit Hilfe der Komponentenzerlegung des elektrischen Feldvektors beschrieben und führt zum Superpositionsprinzip der elektrischen Feldvektoren. Beim Übergang zur Quantenphysik werden die bereits durchgeführten Polarisationsexperimente als Gedankenexperimente in der Photonenvorstellung gedeutet. Zur Beschreibung der Polarisation von Photonen wird der Begriff des Zustandes eingeführt, der durch die Wechselwirkung der Photonen mit dem Polarisationsfilter erzeugt wird. Das Malussche Gesetz wird in der Teilchenvorstellung wieder aufgegriffen und führt mit Hilfe der statistischen Deutung zum Begriff der Wahrscheinlichkeit. Bei der Beschreibung von Interferenzexperimenten mit einzelnen Photonen wird die Notwendigkeit eines Analogons zum elektrischen Feldvektor deutlich. Diese Betrachtungen führen zum Begriff der Wahrscheinlichkeitsamplitude und zum Superpositionsprinzip der Wahrscheinlichkeitsamplituden. Zum Abschluss des Unterrichtsganges wird anhand des Lokalisationsproblems einzelner Photonen das Fundamentalprinzip der Quantenphysik erarbeitet.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Femtosecond wavepacket interferometry using the rotational dynamics of a trapped cold molecular ion

A Ramsey-type interferometer is suggested, employing a cold trapped ion and two time-delayed offresonant femtosecond laser pulses. The laser light couples to the molecular polarization anisotropy, inducing rotational wavepacket dynamics. An interferogram is obtained from the delay dependent populations of the final field-free rotational states. Current experimental capabilities for cooling and preparation of the initial state are found to yield an interferogram visibility of more than 80%. The interferograms can be used to determine the polarizability anisotropy with an accuracy of about ±2%, respectively ±5%, provided the uncertainty in the initial populations and measurement errors are confined to within the same limits.

Interferometrisch messender faseroptischer Sensor mit mechanisch oszillierender Sonde

Punktförmig messende optische Sensoren zum Erfassen von Oberflächentopografien im Nanometerbereich werden in der Forschung und Industrie benötigt. Dennoch ist die Auswahl unterschiedlicher Technologien und kommerziell verfügbarer Sensoren gering. In dieser Dissertationsschrift werden die wesentlichen Aspekte eines Messsystems untersucht das über das Potenzial verfügt, zu den künftigen Standardmessmethoden zu gehören. Das Messprinzip beruht auf einem Common-Path-Interferometer. In einer mikrooptischen Sonde wird das Laserlicht auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet. Das vom Messobjekt reflektierte Licht interferiert sondenintern mit einem Referenzreflex. Die kompakte Bauweise bewirkt kurze optische Wege und eine gewisse Robustheit gegen Störeinflüsse. Die Abstandsinformation wird durch eine mechanische Oszillation in eine Phasenmodulation überführt. Die Phasenmodulation ermöglicht eine robuste Auswertung des Interferenzsignals, auch wenn eine zusätzliche Amplitudenmodulation vorhanden ist. Dies bietet den Vorteil, unterschiedlich geartete Oberflächen messen zu können, z. B. raue, teilweise transparente und geneigte Oberflächen. Es können wiederholbar Messungen mit einer Standardabweichung unter einem Nanometer erzielt werden. Die beschriebene mechanische Oszillation wird durch ein periodisches elektrisches Signal an einem piezoelektrischen Aktor hervorgerufen, der in einem Biegebalken integriert ist. Die Bauform des Balkens gestattet eine Hybridisierung von optischen und mechanischen Komponenten zu einer Einheit, welche den Weg zur weiteren Miniaturisierung aufzeigt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte so u. a. eine Sonde mit einer Bauhöhe unter 10 mm gefertigt werden. Durch eine zweite optische Wellenlänge lässt sich der eingeschränkte Eindeutigkeitsbereich des Laserinterferometers nachweislich vergrößern. Die hierfür eingesetzte Methode, die Stand der Technik ist, konnte erfolgreich problemspezifisch angepasst werden. Um das volle Potenzial des Sensors nutzen zu können, wurden zudem zahlreiche Algorithmen entworfen und erfolgreich getestet. Anhand von hier dokumentierten Messergebnissen können die Möglichkeiten, als auch die Schwächen des Messsystems abgeschätzt werden.

Experimentelle Untersuchung des Optimierungspotenzials in der kurzkohärenten Interferenzmikroskopie

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem lateralen Auflösungsvermögen in der kurzkohärenten Interferenzmikroskopie. Das 3D-Auflösungsvermögen von Phasenobjekten ist im Gegensatz zu dem von Intensitätsobjekten stark nichtlinear und vom spezifischen Messverfahren abhängig. In diesem Zusammenhang sind systematische Messfehler von entscheidender Bedeutung. Für die kurzkohärente Interferenzmikroskopie ist das Überschwingen an Kanten von besonderem Belang, da sich der Effekt bei der Messung vieler technischer Oberflächen negativ auswirkt. Er entsteht durch die Überlagerung von Interferenzsignalen lateral benachbarter Objektpunkte von unterschiedlichen Höhenniveaus. Es wird an speziell für diesen Zweck entwickelten Messsystemen untersucht in wie weit dieser Effekt physikalisch reduziert werden kann und wie sich dies auf die laterale Auflösung auswirkt. An einem für den Einsatz in einer Nanomessmaschine optimierten Linnik-Interferometer wird die Justage eines solchen Systems erläutert. Der Sensor verfügt über die Option mit NUV-Licht betrieben zu werden, um die laterale Auflösung zu verbessern. Aufgrund des Einsatzzweckes ist der Arbeitsabstand relativ groß, was die laterale Auflösung einschränkt. Mit einem zweiten auf die Untersuchungen in dieser Arbeit optimierten Versuchsaufbau können die physikalischen Grenzen der kurzkohärenten Interferenzmikroskopie praktisch untersucht werden. Zu diesem Zweck ist der Aufbau mit einem Mikrospiegelarray ausgestattet, um hierüber variable konfokale Blenden zu schaffen. Mit diesem System wird erstmalig konfokale Mikroskopie mit Weißlichtinterferometrie kombiniert. Durch die optische Selektion der konfokalen Mikroskopie soll die Ursache für die Überschwinger an Kanten reduziert werden. Eine weitere Möglichkeit der Einflussnahme stellt die optionale Beleuchtung mit polarisiertem Licht dar, wodurch die laterale Auflösung weiter gesteigert werden kann. Zusätzlich kann auch dieser Aufbau mit kurzwelligem blauem Licht betrieben werden, um die laterale Auflösung zu optimieren. Die Messergebnisse, die mit diesen Versuchsaufbauten gemacht wurden, zeigen, dass im Gegensatz zu den in der derzeitigen Normung genutzten Modellen das Übertragungsverhalten in der Weißlichtinterferometrie bei der Messung von Phasenobjekten stark nichtlinear ist. Das laterale Auflösungsvermögen deckt sich je nach Auswerteverfahren recht gut mit dem von klassischen Mikroskopen bei der Wiedergabe von Intensitätsobjekten. Für die Untersuchungen wurde überwiegend ein Auflösungsnormal mit neun unterschiedlichen eindimensionalen Rechteckstrukturen verwendet, die eine Nominalhöhe im kritischen Bereich kleiner der Kohärenzlänge der verwendeten Lichtquelle aufweisen. Die Ergebnisse bestätigen sich aber auch an technischen Messobjekten aus der Praxis wie beispielsweise einer „digital video disc“.