Heterodyne Laser-Interferometrie mittels phasengekoppelter Halbleiterlaser und Absorbanzmodulations-Nanoskopie für die Gigahertz-Schwingungsmesstechnik

Kowarsch, Robert GND

Die heterodyne Interferometrie oder auch Laser-Doppler-Vibrometrie hat sich als kontaktlose, empfindliche und genaue Schwingungsmesstechnik für die Mikrosystemtechnik in Industrie und Forschung etabliert. Aufgrund aktueller Entwicklungen insbesondere in der Nachrichtentechnik besteht der Bedarf zur Messung mikroakustischer Schwingungen bis zu 6 GHz bei Subnanometer-Amplituden. Dabei stößt die konventionelle Gerätetechnik der Interferometrie im Hinblick auf das vorteilhafte Träger- oder Heterodynverfahren an ihre Grenzen. Für eine uneingeschränkte Messfähigkeit bis 6 GHz ist eine Gerätetechnik erforderlich, die Trägerfrequenzen von mindestens 6 GHz erzeugen kann. Die konventionelle Technik zur Trägererzeugung limitiert die Interferometer des Stands der Wissenschaft und eine Messfähigkeit wird nur auf Kosten der Immunität gegen Nichtlinearitäten und der Eindeutigkeit erreicht. Die uneingeschränkte Messfähigkeit eines Interferometers erfordert zudem eine ausreichende Ortsauflösung der Schwingformen auf dem Mikrosystem. Mit steigender Schwingungsfrequenz nimmt die akustische Wellenlänge ab, sodass der Messlaserstrahl mit einer Mikroskop-Optik fokussiert werden muss. Die Beugung limitiert dabei die minimale Größe des Laserfokus und damit die Ortsauflösung, was die Messfähigkeit eines Interferometers für Schwingungsfrequenzen im Gigahertz-Bereich ebenfalls einschränkt. In dieser Arbeit wurde die Trägererzeugung mittels phasengekoppelter Laser in einer optoelektronischen Phasenregelschleife theoretisch und experimentell untersucht, um eine Messfähigkeit von heterodynen Interferometern bei mechanischen Schwingungen bis zu 6 GHz zu erzielen. Zudem wurde die Steigerung der Ortsauflösung jenseits der Beugungsgrenze durch Absorbanzmodulations-Nanoskopie in Reflexion theoretisch analysiert. Anhand der systemtheoretischen Beschreibung der optoelektronischen Phasenregelschleife wurden Anforderungen an die Eigenschaften geeigneter Laser und der weiteren Komponenten formuliert. So muss die Regelbandbreite größer als die summierte Linienbreite der Laser sein. Als wichtige Eigenschaft des Interferometers wurde die erreichbare Schwingungsamplitudenauflösung in Abhängigkeit vom Interferometeraufbau, den phasengekoppelten Lasern und der Phasenregelschleife modelliert und numerische Simulationen durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass der Einfluss des Phasenrauschens der phasengekoppelten Laser mit steigender Schwingungsfrequenz schwindet und daher andere Rauschbeiträge, wie beispielsweise das Schrotrauschen, die Schwingungsamplitudenauflösung limitieren können. Des Weiteren wurde der Einbruch des nutzbaren Trägers analytisch beschrieben, der durch den Verlust der gegenseitigen Kohärenz bei großen Pfaddifferenzen im Interferometeraufbau entsteht. Die theoretische Modellierung vereinfacht so eine zielgerichtete Auslegung der Trägererzeugung mittels phasengekoppelter Laser für die Interferometrie. Das theoretische, beugungsbegrenzte Ortsauflösungsvermögen eines Interferometers wurde anhand einer akustischen Oberflächenwellen hergeleitet. Es wurde gezeigt, dass die Größe des Lasermessflecks um mindestens den Faktor 8 geringer sein muss als die akustische Wellenlänge, damit die systematischen Messabweichungen vernachlässigbar bleiben. Für eine Ortsauflösung jenseits der Beugungsgrenze wurde die Absorbanzmodulations-Nanoskopie modelliert, die eine reversible, dynamische Nahfeldblende in einer Dünnschicht auf der Messoberfläche erzeugt. Das Simulationsmodell umfasst die Photokinetik, die mikroskopische Bildgebung und die Beugung an der dynamischen Nahfeldblende. Aus dem Modell wurden analytische Näherungen für eine einfache Auslegung eines Absorbanzmodulations-Nanoskops abgeleitet. Insbesondere wird eine Formel zur Steigerung der Ortsauflösung in Beziehung zu Systemparametern hergeleitet, die eine interessante Analogie zu der bekannten Auflösungsformel der STED-Mikroskopie aufweist. Eine Parameterstudie der numerischen Simulation zeigt das Potential einer Auflösungssteigerung auf 1/5 der Beugungsgrenze bei 100 nm Schichtdicke, wenn eine Konzentrationserhöhung oder eine Verbesserung der photophysikalischen Eigenschaften des Photochroms um einen Faktor 2 gegenüber dem Stand der Technik erzielt werden kann. Diese Studie bietet die Grundlage für die Dimensionierung und den experimentellen Nachweis des Potentials der Absorbanzmodulations-Nanoskopie in Reflexion. Es wurde der weitere Forschungsbedarf zur Anwendung in der Interferometrie diskutiert. Auf Basis der Erkenntnisse wurde ein heterodynes Laser-Doppler-Vibrometer-Mikroskop mit phasengekoppelten, monolithischen Halbleiterlasern im sichtbaren Spektralbereich ausgelegt und realisiert. Die Bandbreite der Datenerfassung limitiert die Messung auf Schwingungsfrequenzen bis 3 GHz. Die Erzeugung einer Trägerfrequenz wird durch den Photodetektor auf maximal 10 GHz begrenzt. Die Messfähigkeit des Experimentalaufbaus für Hochfrequenz-Mikrosysteme wurde anhand einer Messung auf einem Oberflächenwellen-Filter bei 315 MHz demonstriert. Die erreichte Amplitudenauflösung von ≤ 100 fm/ für Schwingungsfrequenzen > 1 GHz ist vom Intensitätsrauschen der Halbleiterlaser und vom thermischen Rauschen der Elektronik limitiert. Somit kann die Trägererzeugung mittels phasengekoppelter Halbleiterlaser die heterodyne Interferometrie zur Messung von Schwingungen bis über 6 GHz befähigen, wenn das Potential der Absorbanzmodulation zur Steigerung der Ortsauflösung ausgeschöpft wird.

Heterodyne interferometry or laser-Doppler vibrometry has established itself as a contactless, sensitive and accurate vibration measurement technique for microsystems technology in industry and research. Due to current developments, especially in communications engineering, there is a demand for the measurement of microacoustic vibrations up to 6 GHz at subnanometer amplitudes. Here, the conventional techniques for interferometry reach their limits, especially with regard to the advantageous heterodyning technique. For absolute measurement capability up to 6 GHz, instrumentation is required that generates carrier frequencies of at least 6\,GHz. Conventional carrier generation limits the state of the research of interferometers and the measurement capability is only achieved at the sacrifice of immunity against non-linearities and unambiguity. The absolute measurement capability of an interferometer also requires sufficient spatial resolution of the vibration patterns on the microsystem. As the vibration frequency increases, the acoustic wavelength decreases, so that the measuring laser beam must be focused with microscope optics. Diffraction limits the minimum size of the laser focus and, thus, the spatial resolution, which also limits the measuring capability of interferometers for vibration frequencies in the gigahertz range. In this thesis, the heterodyning technique via frequency-offset-locked lasers in an optoelectronic phase-locked loop was investigated theoretically and experimentally in order to attain a measurement capability of heterodyne interferometers for mechanical vibrations up to 6 GHz. In addition, the improvement of spatial resolution beyond the diffraction limit by absorbance-modulation nanoscopy in reflection was theoretically analyzed. Based on the system-theoretical description of the optoelectronic phase-locked loop, requirements for the specifications of suitable lasers and the other loop components were derived. For example, the loop bandwidth must exceed the summed linewidth of the lasers. As an important property of the interferometer, the achievable vibration-amplitude resolution was modelled as a function of the interferometer design, the offset-locked lasers and the phase-locked loop and numerical simulations were conducted. It was shown that the influence of the phase noise of the offset-locked lasers decreases with increasing vibration frequency and therefore other noise contributions, such as shot noise, can limit the oscillation amplitude resolution. Furthermore, the collapse of the exploitable carrier, which is caused by the loss of mutual coherence for large path differences in the interferometer setup, was described analytically. The theoretical modeling thus simplifies a purposeful design of the carrier generation using offset-locked lasers for interferometry. The theoretical, diffraction-limited spatial resolution of an interferometer was derived from a surface acoustic wave. It was shown that the size of the laser measurement spot must be at least a factor of 8 smaller than the acoustic wavelength in order to keep the systematic measurement uncertainty negligible. For a spatial resolution beyond the diffraction limit, absorbance-modulation nanoscopy was modelled, which generates a reversible, dynamic near-field aperture in a thin film in contact with the measurement surface. The simulation model includes photokinetics, microscopic imaging and diffraction at the dynamic near-field aperture. Analytical approximations for a simple design of an absorbance-modulation nanoscope were derived from the model. In particular, a formula for improving the spatial resolution in relation to system parameters is derived, which has an interesting analogy to the known resolution formula of STED microscopy. A parameter study of the numerical simulation shows the potential of improving the spatial resolution to 1/5 of the diffraction limit at 100 nm layer thickness, if an increase in concentration or an improvement of the photophysical properties of the photochrome by a factor of 2 compared to the state of the art can be achieved. This study provides the basis for design and experimental proof of the potential of absorbance-modulation nanoscopy in reflection. The issues for further research regarding the application in interferometry were discussed. Based on the results, a heterodyne laser-Doppler-vibrometer microscope with offset-locked, monolithic semiconductor lasers in the visible spectrum was designed and realized. The bandwidth of the data-acquisition system limits the vibration measurement to frequencies up to 3 GHz. The generation of a carrier frequency is possible to more than 10 GHz only limited by the photodetector. The measurement capability of the experimental setup for RF microsystems was demonstrated by measurements on a surface-acoustic-wave filter at 315 MHz. The achieved vibration-amplitude resolution of ≤ 100 fm/ for oscillation frequencies > 1 GHz is limited by the intensity noise of the semiconductor lasers and the thermal noise of the electronics. Thus, heterodyning by means of offset-locked semiconductor lasers can enable heterodyne interferometry to measure oscillation up to more than 6 GHz, if the potential of absorbance-modulation to improve spatial resolution is exploited.

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Kowarsch, Robert: Heterodyne Laser-Interferometrie mittels phasengekoppelter Halbleiterlaser und Absorbanzmodulations-Nanoskopie für die Gigahertz-Schwingungsmesstechnik. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

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