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Variable mikrostrukturierte Optik

Mikrostrukturierte optische Elemente finden in einer Vielzahl von technischen Geräten Anwendung. Optische Gitter dienen der Farbzerlegung in Spektroskopen, Hologramme und Mikrolinsenarrays und werden zur energetischen Strahlformung von Lasern eingesetzt. Selbst im Bereich der Abbildung und Beleuchtung existieren z.B. mit diffraktiven Linsen Möglichkeiten zur Strahlführung.

Im Projekt variable Mikrooptik wird untersucht, ob sich solche herkömmlichen mikrooptischen Komponenten in variable Elemente übertragen lassen, ohne an optischer Leistungsfähigkeit einzubüßen. Dadurch ließen sich aktiv gesteuerte Systeme entwickeln, welche Komponenten wie z.B. eine diffraktive Linse mit durchstimmbarer Brennweite oder ein Gitter, bei dem der Winkel der spektralen Zerlegung angepasst werden kann, als essentielle Basis enthalten. Die variable Funktionalität soll dabei durch eine kontrollierte laterale Deformation eines planparallelen Elastomerträgers, auf dem eine Mikrostruktur eingeprägt wird, erreicht werden [Abb. 1].

Die Untersuchungsfelder beinhalten einerseits die mechanische und optische Simulation der variablen Elemente, als auch die technische Umsetzung, welche sich in Abformung der elastischen Optiken, Erarbeitung einer konstruktiven Lösung für verschiedene Dehnvorgänge, sowie die topografische und optische Überprüfung der wirksamen Flächen gliedert.

Erste Ergebnisse wurden bereits auf dem Gebiet der kombinierten optomechanischen Simulation erzielt. So wird mittels „Ansys“, einem kommerziellen Finite Elemente Programm, die Berechnung der Dehnung mikrostrukturierter Elastomerelemente auf Basis von nichtlinearen Materialparametern durchgeführt [Abb. 2].

Die daraus erhaltene Strukturdeformation dient als Grundlage für die wellenoptische Berechnung der Beugung mit Hilfe der Software Unigit, welche das mathematische Modell der rigorous coupled-wave analysis (RCWA) zu Berechnung verwendet. Diese vernetzte Simulation aus den Fachgebieten der Mechanik und Optik ermöglicht eine genaue Vorhersage der Lichtverteilung der variablen Elemente in Abhängigkeit der verschiedenen Dehnungszustände. Anschließend können z.B. Abhängigkeiten zu anderen optisch relevanten Einflussgrößen dargestellt werden [Abb. 3], um die Möglichkeiten des Einsatzes solcher Elemente zu erschließen.