Mikrointerferometer auf Basis von interferenzoptischen Stehende-Welle-Sensoren

Ortlepp, Ingo GND

Seit dem Michelson-Morley-Experiment im Jahr 1887 werden Interferometer erfolgreich in Forschung und Industrie für verschiedenste Aufgaben eingesetzt. Laserinterferometer sind heute hochentwickelte und enorm leistungsfähige Geräte mit beachtlichen Parametern hinsichtlich Messauflösung und Messunsicherheit. Diese Leistungsfähigkeit jedoch beruht auf einem äußerst komplexen Aufbau mit einer großen Anzahl optischer Präzisionskomponenten, weshalb klassische Laserinterferometer kostenintensive Messmittel nahezu ausschließlich für Aufgaben der Präzisionsmesstechnik mit höchsten Anforderungen darstellen. Gemeinsam mit der begrenzten Miniaturisierbarkeit von diskret aufgebauten Interferometern resultiert daraus eine Einschränkung der möglichen Einsatzgebiete. Das Stehende-Welle-Interferometer stellt einen neuen Interferometeransatz dar, mit dem die genannten Einschränkungen überwunden werden können. Das Konzept basiert auf einer optischen stehenden Welle, welche im Raum vor einem Spiegel bei senkrechter Reflexion eines Laserstrahls in sich selbst entsteht. Die Intensitätsminima und -maxima der stehenden Welle sind räumlich an den Spiegel gekoppelt und können mit einem dünnen, transparenten Photosensor detektiert werden. Eine Zählung der den Sensor bei einer Spiegelverschiebung durchlaufenden Extrema ermöglicht bei bekannter Wellenlänge der Laserquelle eine Bestimmung des Verschiebewegs des Spiegels. Da sich der genannte Sensor im optischen Strahlengang befindet, beeinflusst dieser direkt die stehende Welle. Für den Sensor existieren daher besondere Anforderungen hinsichtlich dessen Dicke, Transparenz, Reflexionsgrad und Ebenheit. Im Rahmen dieser Arbeit werden entsprechende Stehende-Welle-Sensoren für hochdynamische Messungen und verschiedene optische Aufbauten entwickelt und untersucht. Die Sensoren basieren auf kommerziellen SOI-Wafern und können mit üblichen Halbleitertechnologien hergestellt werden. Bei der Entwicklung liegen die Schwerpunkte auf einer hohen Grenzfrequenz, auf der Entspiegelung der Sensoren und auf Verfahren zur mechanischen Stabilisierung der äußerst dünnen photoaktiven Schicht. Die elektrischen, optischen und elektrooptischen Eigenschaften der Sensoren werden umfangreich untersucht und deren Einsatz in Homodyn-, Heterodyn - und Interferometeraufbauten mit Phasenmodulation nachgewiesen.

Since the Michelson-Morley-experiment in the year 1887, interferometers are successfully used in research and industry for various tasks. Today, laser interferometers are highly developed and enormously powerful instruments with considerable parameters in terms of measurement resolution and measurement uncertainty. This performance, however, is based on an extremely complex structure with a large number of optical precision components Therefore, classical laser interferometers are cost-intensive measuring instruments, almost exclusively for precision metrology tasks with the highest requirements. In combination with the limited potential for miniaturization of discretely constructed interferometers, this results in a limitation of the possible fields of application. The standing-wave-interferometer represents a new interferometer approach which can overcome the mentioned limitations. The concept is based on an optical standing wave, arising in the space in front of a mirror when a laser beam is reflected perpendicularly in itself. The intensity minima and maxima of the standing wave are coupled to the mirror surface and can be detected with a thin, transparent photosensor. Counting the extremes passing through the sensor during a mirror displacement enables the determination of the mirror displacement as long as the wavelength of the laser source is known. Since the sensor is located in the optical path, it directly influences the standing wave. Therefore, the sensor has to meet special requirements regarding its thickness, transparency, reflectance and flatness. Within the scope of this work, corresponding standing-wave-sensors are developed and investigated, which enable highly dynamic measurements in different optical setups. The sensors are based on commercial SOI-wafers and can be manufactured with common semiconductor technologies. The development focuses on a high cut-off frequency, antireflection coating of the sensors and methods for a mechanical stabilization of the extremely thin photoactive layer. The electrical, optical and electro-optical properties of the sensors are extensively investigated and their use in homodyne, heterodyne and phase modulated interferometer setups is proven.

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Ortlepp, I., 2020. Mikrointerferometer auf Basis von interferenzoptischen Stehende-Welle-Sensoren. Ilmenau.
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