Smarte Optik

 

Unsere Optiken kommen in Lasern, Messgeräten, Teleskopen, auf Satelliten oder in Beleuchtungssystemen zum Einsatz. Wir arbeiten an smarten Optiken, in dem wir die Schichtpräzision optimieren, Verluste minimieren, die Homogenität auf größerer Fläche und die Leistungsverträglichkeit erhöhen – um zukünftig neue Anwendung zu erschließen. Außerdem entwickeln wir Faserkomponenten für neue Laseranwendung und für die Miniaturisierung und Integration der Optik.

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Faserkomponenten

Mit smarten Faserkomponenten auch für Spezialfasern entwickeln wir monolithische und damit justagefreie Faserlaser und -verstärker. Auf speziell von uns entwickelten Anlagen stellen wir hoch integrierte Faserstrecken her, die alle nötigen optischen Funktionalitäten wie das faserbasierte Ein- oder Auskoppelung oder Modifikation von optischer Laserstrahlung, beinhalten. Diese einzigartige Kombination aus Spezialfasern und hoch integrierten Faserkomponenten mit Spezialfasern ermöglicht maßgeschneiderte Faserlaser und -verstärkersysteme für neue Anwendungsbereiche.

Produktionsmethoden

Bei der Fertigung der Faserkomponenten setzen wir auf Plasma-, Wasserstoffflammen- oder Laser-basierten Fertigungsverfahren. Diese nutzen wir, um Fasern lateral miteinander zu verschweißen (splicen), die Fasern zu verjüngen oder zu mikrostrukturieren. Laserbasierte Verfahren ermöglichen es die Kontamination der Faserkomponenten zu vermeiden und den Prozess zu automatisieren. Aktuell erforschen und entwickeln wir automatisierte Fertigungsprozesse unter Einsatz von CO2- und CO-Lasern.

Kundenspezifische Entwicklung
Ob Endkappen, Cladding Light Stripper, Modenfeldadapter, Pumpcombiner oder Wavelength Division Multiplexer – wir entwickeln Komponenten für Faserlaser, die individuelle Kundenanforderungen optimal erfüllen. Dabei verwenden wir insbesondere Spezialfasern wie PCF (photonic crystal fibers) oder CCC-Fasern (Chirally-coupled-core), damit sie zukünftig standardmäßig in integrierte Faserstrecken eingebunden werden. Daneben erforschen wir, wie sich Hohlkernfasern in Faserkomponenten integrieren lassen, um einfrequente Hochleistungssignale oder ultrakurze Pulse zu transportieren. Wir können bereits mehrere Ausgangsfasern von Lasersystemen an eine Endkappe schweißen, deren Ausgangsleistungen kombinieren und so das Intensitätsprofil der Laserstrahlung etwa bei der Materialbearbeitung gezielt steuern.

Optische Schichten

Vom kurzwelligen ultravioletten (UV-) Bereich bis hin in den langwelligen infraroten (IR-) Bereich: Wir entwickeln smarte optische Schichten, die optimal auf die geplante Anwendung angepasst und für eine lange Lebensdauer optimiert sind. Wir entwickeln Schichtsysteme, die kommerziell nicht erhältlich sind, arbeiten an spektral breitbandiger Monitorierung und daran, neue Beschichtungsmethoden und -dimensionen zu erschließen, um mit unseren Optiken und Anlagen neue Anwendungen zu ermöglichen.
 

Verfahrenstechniken

Wir entwickeln Prozesse für verschiedene Beschichtungsverfahren individuell abgestimmt auf die geplante Anwendung. Dabei loten wir die Grenzen des Möglichen aus und erschließen ausgeklügelte Methoden für innovative Beschichtungen vom kurzwelligen UV-Bereich < 200 nm bis in den langwelligen IR-Bereich > 6 µm. Wir arbeiten dabei mit verschiedensten oxidischen und fluoridischen Materialien und optimieren deren Absorption und Brechungsindex für den konkreten Anwendungsfall. Folgende Verfahren setzen wir ein:

• Ionen-Strahl-Sputtern (Ion Beam Sputtering, IBS)
• Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD)
• Elektronenstrahl-Beschichtung (E-Beam)
• Magnetron-Sputtern
• Ionengestützte Abscheidung (Ion assisted deposition, IAD)
• Molekularstrahlepitaxie (Molekular Beam Epitaxy, MBE)

Charakterisierung

Für die Charakterisierung von optischen Komponenten nutzen wir vielfältige Messmethoden und entwickeln diese weiter. Außerdem arbeiten wir an der Entwicklung von Normen mit. Unser aktuelles Spektrum:

• Laserinduzierte Zerstörschwellen (LIDT)
• Laser-kalorimetrische Absorption (LCA)
• Cavity Ring Down (CRD)
• Spektralphotometrie (UV – IR)
• Streulichtmessungen
• Interferometrie
• Haltbarkeits- und Umwelttests

Anlagenentwicklung

Unsere Expertise zu den verschiedensten Beschichtungsverfahren setzen wir ein, um bestehende Verfahren stetig zu optimieren. Mit der Entwicklung neuartiger adaptiver Blenden passen wir Anlagen passgenau auf die in der Beschichtung verwendeten Materialien und Substrate an. Mittels solcher Blenden und Planetengetrieben erfüllen wir höchste Homogenitätsansprüche an unsere Beschichtungen von < 0,1% auf Radien bis 200 mm. Durch die Integration von in-Situ Messtechnik zum spektral breitbandigen Monitoring gewährleisten wir hocheffiziente, präzise und verlässliche Beschichtungsprozesse. Unser Breitbandmonitor BBM kann auch mit mehreren Messradien, für unterschiedliche Wellenlängenbereiche und Auflösungen sowie mit verschiedenen Betriebsmodi (Reflektion oder Transmission) entwickelt werden. Weiterhin untersuchen wir skalierbare Methoden zur Faserendflächenbeschichtung durch neuartige Anlagenkonzepte.

Atomic Layer Deposition (ALD)
Die Atomlagenabscheidung ist für optische Schichten wenig etabliert, aber anderen Beschichtungsverfahren in puncto Uniformität und Flexibilität überlegen. Mit dem sogenannten Spatial ALD-Verfahren können wir die Beschichtungsgeschwindigkeit erhöhen – und das bei besserer Uniformität. Weiterhin wollen wir mit dem Verfahren zukünftig hochwertige Beschichtungen auf strukturierten oder Freiformoberflächen effizient herstellen, was mit klassischen Beschichtungsverfahren nicht oder nur unzureichend möglich ist. Wir arbeiten außerdem daran, 3D-gedruckte Kunststoffbauteile im Niedertemperaturbereich (<120°C) zu beschichten und diese so mit optischen Funktionen oder Schutzschichten gegenüber Umwelteinflüssen zu versehen.

Optische Materialien

Das Verständnis optischer Materialien ist die Grundlage dafür, smarte Beschichtungsprozesse, intelligentes Monitoring und neue Anlagentechnik entwickeln zu können. Wir nutzen Simulationen, um reale Prozesse frühestmöglich anzupassen, optimieren das Schichtdesign für die geplante Anwendung und befassen uns mit nichtlinearen Wechselwirkungsprozessen, um Beschichtungen mit neuartigen Funktionen auszustatten. Mit Quantennanolaminat-Strukturen dringen wir in neue Anwendungsbereiche vor wie aktiv schaltbare Schichtsysteme.

Simulation
Mit Simulationen lernen wir, Beschichtungsprozesse besser zu verstehen und gewinnen daraus neues Prozesswissen, dass wir in die Anwendung übertragen. Gerade bei komplexen Beschichtungen führen wir vorab virtuelle Prozesssimulationen durch, um auf dieser Basis die realen Prozesse entsprechend anzupassen. Wir simulieren die Schichtsynthese, um Eigenschaften vorab zu ermitteln und die Beschichtungsparameter bestmöglich für die Anwendung zu wählen. Außerdem erkunden wir mit den Simulationsmethoden das Verhalten neuer optischer Materialien und können sie so schneller in die Praxis bringen.
Designte Schichtmaterialien

Um optische Materialeigenschaften auf individuelle Anforderungen anzupassen, können wir durch ein spezielles Verfahren den Brechungsindex und die Bandkante der Materialien unabhängig voneinander optimieren. Dies erreichen wir durch die Erzeugung von sogenannten Quantennanolaminat-Strukturen, die eingebettet in das Schichtsystem die Elektronenstruktur des hochbrechenden Materials verändern. Dadurch lassen sich zum einen bessere Schichtsysteme für den UV-Bereich herstellen und zum anderen die Zerstörschwelle des Schichtsystems optimieren.

Schichtoptimierung

Beschichtungen sind je nach Einsatzgebiet unterschiedlichen Belastungen und Anforderungen unterworfen. Wir beschäftigen uns daher vorrangig mit Leistungsbeständigkeit und Lebensdauer. Um Schädigungen aktiv entgegenzuwirken, Schichten robuster zu machen, Schichtspannungen zu vermeiden und dadurch die Haltbarkeit zu erhöhen, optimieren wir Schichtaufbauten. Insbesondere arbeiten wir daran, Zerstörschwellen (Laser Induced Damage Threshold, LIDT) von Optiken und optischen Beschichtungen vom CW- bis in den Femtosekundenbereich zu maximieren. Dies ermöglicht die Entwicklung von stärkeren Hochleistungslasern für die Industrie. Dafür arbeiten wir unter anderem daran, Degradationseffekte der Substrate zu verringern, haltbarere Optiken zu erreichen und neue Substrate zu erschließen.

Aktive Schichten
Mit aktiven Schichten können wir optische Komponenten mit komplexen Funktionen schaffen. Wir nutzen nichtlineare Wechselwirkungsprozesse des einfallenden Laserlichts mit dem Schichtmaterial, um schnelle optische Schalter zu realisieren. Dadurch lässt sich beispielsweise mit einem intensiven Schaltpuls die Spiegelfunktion in Transmission und Reflexion beeinflussen. Um das Schalten von Licht in optischen Schichten mit Gesamtdicken weniger Mikrometer grundsätzlich möglich zu machen, nutzen wir nichtlineare Materialeigenschaften, die wir fortwährend optimieren, um die Schaltschwellen herabzusetzen und andere Funktionalitäten zu ermöglichen. Dabei ist es uns bereits gelungen, Frequenzkonversion in Spiegelschichten zu integrieren und die Dritte Harmonische des einfallenden Laserlichts zu erzeugen.

Optische Komponenten

Besonders komplexe Schichtsysteme, höchste Herausforderungen, neue Lösungen für den Aufbau optischer Systeme – wir entwickeln die optischen Komponenten von morgen. Möglich macht das unsere jahrzehntelange Erfahrung und unser zukunftsorientiertes Denken.
 

Spezialoptiken

Für besondere Anwendungen, wie den Einsatz in Lasern, in Teleskopen oder anderen astronomischen Geräten auf der Erde und im Weltraum entwickeln wir komplexe Schichtsysteme. Dabei widmen wir uns Herausforderungen jenseits kommerziell erhältlicher Systeme und forschen daran, die Grenzen des Möglichen zu verschieben. Wir entwickeln Filtersysteme für Faseroptik und hochwertige Antireflexbeschichtungen im mittleren Infrarotbereich, zum Beispiel für Thermografiekameras.

Großflächige Beschichtungen
Großflächige Beschichtungen sind etwa für hochauflösende Teleskope interessant. Wir beschichten Substrate zuverlässig bis zu 0,5 Meter und erweitern dies mit Ion Beam Sputtering momentan sogar auf bis zu weltweit einmalige 2 Meter Durchmesser. Dazu stellen wir eine gleichmäßige Schichtdicke über die komplette Beschichtungsfläche sicher. Zusammen mit Partnern aus kleinen und mittleren Unternehmen entwickeln wir dafür adaptive Uniformitätsblenden. Mit diesen sollen Schwankungen in driftenden Prozessen flexibel ausglichen werden. Außerdem werden wir den Ansatz nutzen, um mehrere unterschiedlich geformte Objekte in einem Beschichtungsprozess zu vergüten.
Additiv gefertigte Optiksysteme
Optische Systeme bestehen nach wie vor aus einer Vielzahl an diskreten optischen Elementen in komplexen optomechanischen Baugruppen. Durch innovative Konstruktionsansätze und die Vorteile der Additiven Fertigung lassen sich sowohl Optomechaniken als auch funktionale Optiken neu denken. Beispielsweise arbeiten wir an einer individualisierten Fertigung maßgeschneiderter GRIN-Linsen sowie an Wellenleitern aus Glas und Polymer, welche sich in einer chipbasierten Mikrophotonik integrieren lassen. Außerdem arbeiten wir an Strategien zum spannungsfreien Eindrucken von (thermisch aktiven) optischen Komponenten für hochintegrierte Laser- und Multimaterialsysteme. So können wir signifikant Material und Gewicht einsparen und somit nachhaltiger und gleichzeitig kosteneffizienter kompakte, optische Systeme herstellen.

Miniaturisierung & Integration

Die Miniaturisierung und Integration von optischen Elementen ermöglicht die Produktion komplexer optoelektronischer Baugruppen und Systeme zur Anwendung in den Bereichen Kommunikation, Sensorik und Quantentechnologien. Wir entwickeln neue Konzepte für optische Filter, welche sogar einstellbare Eigenschaften aufweisen können. Intelligente Konzepte zur Montage weiterer optischer Komponenten, ermöglichen es optoelektronische Systeme auf kleinstem Raum zu realisieren.
 

Miniaturisierte optische Filter
Miniaturisierte optische Filter sind insbesondere für die Tele- und Datenkommunikation interessant. Sie sollen zukünftig auf noch kleinerem Raum integriert werden und geringere optische Verluste aufweisen. Wir arbeiten dafür an freitragenden und stressfreien Schichtsystemen, die einen großen Spektralbereich abdecken. Dazu haben wir einen speziellen Prozess zur Herstellung und zum Transfer von substratlosen Beschichtungen erfolgreich entwickelt. Weiterhin arbeiten wir an Beschichtungsstrategien für die Produktion unterschiedlicher Filterspezifikationen, die gezielt in nur einem einzigen Durchlauf des Beschichtungsprozesses entstehen.
Präzisionsmontage
Für optische Systeme auf kleinstem Raum ist eine besonders präzise Montage Voraussetzung. Wir arbeiten am passiven und aktiven Alignment von optoelektronischen Bauteilen und verstehen uns auf dessen elektrische und mechanische Kontaktierung (Die-Bonding). Außerdem arbeiten wir an Lösungen der selbstausrichtenden Montage (Self-aligned assembly), etwa durch intelligente Prozesse, die getrieben durch Kräfte der Elektrostatik oder Oberflächenspannung keine weitere Positionierung benötigen. Wir nutzen die Flip-Chip-Montage zur Kontaktierung von ungehausten Halbleiter-Chips oder zur aufrechten Montage miniaturisierter optischer Komponenten, um die Integrationsdichte in Baugruppen zu erhöhen.

Optische Messtechnik

Die grundlegenden spektralen Eigenschaften optischer Beschichtungen müssen für die zukünftigen Anforderungen deutlich genauer und umfangreicher vermessen werden als dies mit aktuellen Instrumenten am Markt möglich ist. Die etablierten Spektralphotometer sind etwa für andere Branchen ausgelegt und werden den stetig steigenden Ansprüchen smarter Anwendungen nicht mehr gerecht. Daher arbeiten wir am LZH zusammen mit Unternehmen an neuen, maßgeschneiderten Messsysteme für optische Schichten.
 

Messgeräteentwicklung

Da die Anforderungen an optische Komponenten stetig steigen, designen und bauen wir Messgeräte, die mit dieser Entwicklung mitgehen. Wir arbeiten unter anderem an:

• Spektralphotometern (VUV-VIS-IR) zur Bestimmung spektraler Übertragungsfunktionen
• Breitband Monitorsystemen zur Schichtdickenbestimmung und Prozessoptimierung von optischen Beschichtungen
• Laserkalorimetrie (VUV-IR) zur hochgenauen Absorptionsmessung
• LIDT-Messplätzen zur Bestimmung der Laserzerstörschwelle von Optiken
• Streulicht-Messplätzen zur Kartographierung von Streuquellen, z.B. von Partikeln und Oberflächenrauheiten

Schichtdefektmitigation
Um die Auswirkungen von Verunreinigungen oder anderen Schäden in optischen Beschichtungen zu reduzieren, arbeiten wir daran, die Partikelbelastung von Optiken vor und während des Beschichtungsprozesses durch Laser- und Ionengestützte Prozesse zu minimeren. Dabei setzen wir darauf, Partikel rechtzeitig aufzuspüren und zu entfernen. Da Partikel Ausgangspunkt für Schädigungen der Optiken im Betrieb sein können, sind unsere Beschichtungen durch diese Optimierungen deutlich widerstandsfähiger.
In-Situ-Analyse

Die prozessbegleitende Analyse während einer laufenden Beschichtung erlaubt, diese frühzeitig abzubrechen oder noch besser regulierend einzugreifen. Wir entwickeln daher intelligente Analyse-Methoden, die verschiedene Aspekte des Beschichtungsprozesses in Echtzeit überwachen:

• Partikelmonitoring zur Detektion von Partikeln und Verunreinigungen an Optiken
• Plasmamonitoring zur Messung von Eigenschaften, z.B. Energie oder Zusammensetzung von Plasmen in Beschichtungs- und Ätzprozessen
• Spektralanalyse zur Ermittlung der Schichtdicke oder Schichtzusammensetzung
• Schichtstressanalyse zur Überwachung der Verformung von Optiken durch das Beschichtungsmaterial

Online-Prozesskontrolle
Beschichtungsprozesse sind in aller Regel zeitintensiv, maschinell aufwendig und somit teuer. Bereits kleine Fehler im Prozess können sich fatal auf die Eigenschaften der Beschichtung auswirken. Unser hochauflösendes Breitbandmonitoring-System (BBM) erkennt solche Fehler und passt mit Hilfe einer smarten Softwaresteuerung die weiteren Prozessschritte automatisch auf das Zieldesign an. Durch diese Technik können deutlich bessere und reproduzierbarere Beschichtungen hergestellt werden. Aktuell entwickeln wir das System weiter, um auch spezielle Phaseninformationen der Spiegelbeschichtung durch Spektralphasenkontrolle live zu erfassen. Dies ist zum Beispiel essentiell für die Herstellung von gechirpten Spiegeln für die Entwicklung von Femtosekundenlasern.