Direkte Erzeugung von optischen Wellenleitern und Bragg-Gitter-Sensoren in Silikatglas-Substraten mit ultrakurzen Laserpulsen und deren Anwendungen

Thiel, Markus Alexander Franz

Mit Hilfe von Femtosekunden(fs)-Laserpulsen können Lichtwellenleiter mit Bragg-Gitter-Strukturen in optisch transparenten Materialien hergestellt werden. Hierdurch können neuartige optische Funktionen, wie z.B. kompakte miniaturisierte Komponenten mit Sensorelementen, direkt in ein Glassubstrat eingebracht werden. Die bisherigen La-ser-basierten Technologien für die Herstellung von Bragg-Gitter-Wellenleitern erweisen sich als wenig flexibel in Bezug auf das Wellenleiter-Design, da die Gitterordnung und der Wellenleiterdurchmesser nicht unabhängig voneinander eingestellt werden können. Diese Einschränkung wurde durch die Entwicklung eines neuartigen Einschreibverfah-rens im Rahmen dieser Arbeit behoben und eröffnet dadurch eine Vielzahl von Anwen-dungen in Zusammenhang mit einer miniaturisierten Optik und Sensorik. Die in dieser Arbeit verwendeten optisch transparenten Materialien waren Quarzglas, Aluminium-Borosilikat, poröses Alkaliborosilikatglas, Borosilikatglas und kristallines Strontiumtitanat. Es wurden hierbei erstmals Wellenleiter (Typ-I) mit einem Bündelde-sign in Kombination mit Bragg-Gittern in Quarzglas und Aluminium-Borosilikat herge-stellt. Für Glasmaterialien mit einer negativen Änderung des Brechungsindex wurden alterna-tiv stressinduzierte Wellenleiter (Typ II) und Wellenleiter (Typ-III) durch das Laserein-schreiben einer Mantelstruktur erzeugt. Überdies werden mehrere Anwendungen vorgestellt, die auf fs-Laser-funktionalisierten Materialien basieren. Die Anwendung „Optische Dünnglas-Siegel“ diente der Entwick-lung eines optischen Sicherheits-Systems für den Einsatz innerhalb eines Satelliten. Im Detail wurden optische Siegel entwickelt, um zu erkennen, ob ein Unbefugter an sicher-heitsrelevanten elektronischen Bauteilen des Satelliten eine Manipulation vorgenom-men hat. Es wurde gezeigt, dass bereits eine geringfügige Beeinflussung des Siegels durch einen Angreifer einfach zu erkennen ist und die Ersetzung des Siegels durch eine Kopie nicht möglich ist. Hiermit wurde erstmals ein neuartiges funktionalisiertes Ultra-dünnglas als Siegel verwendet, welches für Anwendungen mit anspruchsvollen Sicher-heitsanforderungen eingesetzt werden kann. Zusammenfassend gelang es im Zuge dieser Arbeit durch die Verwendung von fs-Laserpulsen in verschiedenen Materialien wie nanoporösem Borosilikat und Strontium-titanat, erstmals Wellenleiter zu erzeugen. Zusätzlich wurden auch neuartige Designs von Wellenleiterbündeln in verschiedenen Materialien vorgestellt. In Quarzglas und AF32 wurde eine sensorische Funktionalisierung realisiert, indem eine neuartige Kom-bination von Wellenleiterbündeln und Bragg-Gittern entwickelt wurde. Die verschiede-nen Techniken zur Funktionalisierung von Materialien eignen sich für industrienahe Aufgaben, insbesondere der Verkleinerung von optischen Komponenten im Bereich der Sensorik.

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Thiel, Markus: Direkte Erzeugung von optischen Wellenleitern und Bragg-Gitter-Sensoren in Silikatglas-Substraten mit ultrakurzen Laserpulsen und deren Anwendungen. 2018.

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