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Piezoelektrisch aktuierte AlN/SiN-Mikrolinsen

 
: Fries, J.
: Ambacher, O.; Lebedev, V.; Zürbig, V.

Freiburg/Brsg., 2015, 95 pp.
Freiburg/Brsg., Univ., Master Thesis, 2015
German
Master Thesis
Fraunhofer IAF ()

Abstract
Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung und Charakterisierung piezoelektrisch aktuierter Mikrolinsen. Im Gegensatz zu starren makroskopischen Linsen können diese durch Änderung der Linsenoberfläche, ihren Fokuspunkt variieren. Im Rahmen des AdaScan-Projekts wird am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) ein neuartiges Konzept zur Änderung der Oberflächenkrümmung einer Mikrolinse erforscht und entwickelt.
Eine Besonderheit der AdaScan-Mikrolinse ist, dass der Aktor direkt in die Linsenmembran integriert ist. Hierfür werden eine piezoelektrische und eine elastische Schicht miteinander kombiniert. Bei den verwendeten Materialien handelt es sich um Aluminiumnitrid (AlN) und Siliziumnitrid (SixNy). Durch das Anlegen einer Spannung an die piezoelektrische AlN-Schicht dehnt bzw. verkürzt sich das Material, was eine Veränderung der Krümmung der AlN/SixNy-Membran zu folge hat. Aufgrund des neuartigen Designs kann die piezoelektrische Schicht zudem über vier voneinander unabhängige Sektoren angesteuert werden und dadurch eine asphärische Verformung der Linsenmembran bewirken. Somit ist es möglich, die Membran sowohl zur Feineinstellung des Fokus, als auch zur Korrektur der Wellenfront einzusetzen.
Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit soll die Herstellung und Funktionsweise der AlN/SixNy-Mikrolinse genauer untersucht werden. Hierfür werden zunächst die Eigenschaften der Materialien und des Fertigungsprozesses detailliert beschrieben. Anschließend wird eine Charakterisierung der mechanischen Linseneigenschaften durchgeführt. Dazu erfolgt eine Überprüfung der Linsen hinsichtlich ihres statischen und dynamischen Verhaltens. Für die statische Untersuchung werden einzelne Sektoren mit einer Spannung angeregt und die Änderung der Oberfläche mit Hilfe eines Weißlicht-Interferometers detektiert. Mit dieser Methode kann eine asymmetrische Verschiebung mit einer maximalen Auslenkung von rund 280nm und eine symmetrische Verschiebung mit einer maximalen Auslenkung von ca. 560nm gemessen werden. Des Weiteren werden diese Resultate mit den Ergebnissen einer COMSOL-Simulation verglichen. Für die dynamische Messung wird die Linse mit einer sinusförmigen Spannung angeregt und das Schwingverhalten der Oberfläche mittels Laser-Doppler-Vibrometer aufgezeichnet. Mit diesem Verfahren können selbst bei einer Anregungsfrequenz von 50 kHz noch asymmetrische Auslenkungen von über 120nm detektiert werden. Somit kann gezeigt werden, dass die Reaktionszeit des neuartigen Linsensystems im Bereich weniger μs liegt und damit deutlich schneller ist, als State-of-the-art Mikrolinsen. Im abschließenden Teil der Arbeit wird gezeigt, dass es möglich ist, die Wellenfront eines Laserstrahls, mit Hilfe der AdaScan-Mikrolinse, gezielt zu verändern.
Die Ergebnisse der hier vorliegenden Arbeit zeigen, dass die neu entwickelte AdaScan-Mikrolinse zur schnellen Korrektur der Wellenfront und zum genauen Einstellen des Fokus eingesetzt werden kann.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-336743.html