Optisches Hydrophon basierend auf photonischen...

Optisches Hydrophon basierend auf photonischen Kristallen

Timm Schaer1,2, Juliane Tschentscher2 und Mirco Imlau2

1 ATLAS Elektronik GmbH, 28309 Bremen, Sebaldsbrucker Heerstraße 235, Deutschland, E-Mail: timm.schaer@atlas-elektronik.com,2 Universitat Osnabruck, Fachbereich Physik, 49076 Osnabruck, Barbarastraße 7, Deutschland

Einleitung

Der Aufbau der photonische Kristalle basiert auf Struk-turen, die die Großenordnung der Lichtwellenlange auf-weisen. Durch die Einwirkung von Schalldruck auf denphotonischen Kristall entstehen mechanische Verschie-bungen und Spannungen im Material. Dadurch andernsich die optischen Eigenschaften. Dieser Effekt wird zurRealisierung eines optischen Hydrophons genutzt, wel-ches ein Wasserschallsignal in ein optisches Signal wan-delt.

In dieser Arbeit wird ein Herstellungsverfahren fur pho-tonische Kristalle vorgestellt, in dem eine Strukturierungdurch eine gezielte Zerstorung des Materials mittels fo-kussiertem Laserpuls erfolgt. Die Große der einzelnenMaterialdefekte kann uber den Photonenfluss, die Licht-wellenlange und die Einwirkungszeit gesteuert werden.Fur den photonischen Kristall wird Polymethylmetha-crylat (kurz: PMMA) als dielektrisches Grundmateria-lien genutzt. Es zeichnet sich durch eine hohe optischeTransparenz und gute mechanische Eigenschaften aus.Die Messung des Schalldrucks in Flussigkeiten ist mitdem hergestellten photonischen Kristalls moglich.

Ein theoretischer Einblick in die Thematik und die Her-stellung wird gegeben. Zum Abschluss werden die Mess-ergebnisse prasentiert.

Photonische Kristalle fur dynamischeDruckmessungen

Die Eignung photonischer Kristalle fur die Messungdynamischer Druckanderungen wurde von Schaer undImlau [1] gezeigt. Der dort verwendete photonischeKristall mit der Struktur eines Opals bestehend ausPMMA-Kugeln zeigt allerdings eine geringe mechani-sche Stabilitat. Dies ist auf das Herstellungsverfahrenzuruckzufuhren, bei dem sich die Nanokugeln in Folge derSelbstorganisation in dichtester Kugelpackung angeord-net haben. Anschließend wurde die Struktur gesintert.Eine weitere Verbesserung der mechanischen Stabilitatwird durch die periodische Strukturierung eines dielek-trischen Festkorpers sichergestellt.

Mechanische und optische Eigenschaften

Fur die Nutzung eines dielektrischen Materials als hy-droakustischer Sensor darf der Sprung der akustische Im-pedanz Z zwischen Wasser und dem Sensorbasismaterialnicht zu groß sein, andernfalls wurde ein zu großer Anteildes Schalls an der Grenzflache reflektiert. Der Reflexions-faktor r an einer Grenzflache berechnet sich nach Lerchet. al. [2] mit

r =Zg − Z0

Zg + Z0mit Z = %c, (1)

worin % die Dichte und c die Schallgeschwindigkeitdes Materials ist. Fur die Grenzflache zwischen Wasser(Z0 = 1.484.000) und PMMA (Zg = 3.177.300) ergibtsich ein Reflexionsfaktor von r ≈ 0.36.

Die Druckstabilitat und die Wasseraufnahme von PM-MA konnte durch statische Druckversuche in Wasser ge-zeigt werden. Nach funf Druckzyklen zwischen 20 bar und100 bar und einem 72-stundigen Druckhalteversuch von100 bar konnten keine Veranderungen am Material beob-achtet werden.

Die optische Transparenz von PMMA erstreckt sich uberden gesamten sichtbaren Wellenlangenbereich. Im ultra-violetten und infraroten Wellenlangenbereich tritt sehrstarke Absorption auf. Das Transmissionspektrum ist inAbbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Transmissionspektrum einer PMMA-Probemit 11 mm Dicke. Im sichtbaren Spektralbereich zwischen400 nm und 850 nm betragt die Transmission uber 95 %.

Schreiben der Struktur

Das hier vorgestellte Herstellungsverfahren fur photoni-sche Kristalle basiert auf der gezielten Veranderung deroptischen Materialeigenschaften durch ultrakurze Laser-pulse der Lange 8 ns und 100 fs. Bei der Interaktion zwi-schen PMMA und den Laserpulsen treten zum einenstarke thermische Effekte und zum anderen dielektrischeUberschlage auf.

Dielektrische Uberschlage werden in transparenten Ma-terialien durch extrem große elektrische Feldstarken er-zeugt. Fur PMMA liegt die Schwelle bei 1, 2 · 109 V

mbei einer Materialtemperatur von 20 ◦C [3]. Um dieseGroßenordnung zu erreichen, muss ein ultrakurzer La-serpuls sehr stark fokussiert werden.

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Strahldurchmesser

ElektrischeFeldstärke

Fokus

PMMAProbe

Schwelle

0 z

Abbildung 2: Fokussierung eines Gauß-Strahls nach ei-ner Mikroskoplinse. Der Gauß-Strahl wird im Fokuspunktauf einen Durchmesser von ca. 3µm reduziert. Die elektri-sche Feldstarke erreicht somit im Fokuspunkt die notwendigeGroße fur den dielektrischen Uberschlag, welcher das Materiallokal zerstort.

Die Laserpulse werden mit einem fs-Ti:Sapphire Pul-slaser erzeugt. Die Pulse haben eine Pulsenergie von5µJ und eine Dauer von 100 fs und eine Wellenlangevon λ = 790 nm und liegen somit im transparentenWellenlangenbereich, damit in der Tiefe des Materialsnoch Intensitat vorhanden ist. Die Repititionsrate be-tragt ν = 1000 Pulse

s . Die Fokussierung in die PM-MA Probe erfolgt mit einem Mikroskopobjektiv. Der Fo-kuspunkt hat einen Durchmesser von ca. 3µm. Fur dasSchreiben einer 3-dimensionalen Struktur ist die Probeauf drei orthogonal zueinander angeordneten Linearver-schiebetischen befestigt. Die Steuerung erfolgt uber einLabView-Programm.

Ein photonischer Kristall in einem dielektrischen Materi-al muss eine raumliche Periode Λ in der Großenordnungder halben optischen Wellenlange λ

2 aufweisen. Die ein-zelnen Materialzerstorungen, hervorgerufen durch die La-serpulse, mussen in diesem Großenbereich liegen.

Ergebnisse

Bei der Materialzerstorungen mit einer Reihe von ultra-kurzen Laserpulsen der Lange 8 ns treten großere Punk-te auf, als gefordert sind. Dieses ist auf thermische Ef-fekte zuruckzufuhren. Bei der Interaktion zwischen Lichtund Materie wird das durchstrahlte Material durch Ab-sorption erwarmt. Dieses fuhrt zu Rissen im Materi-al, welche auf mechanische Spannungen im Materialzuruckzufuhren sind. In Abbildung 3 ist die Material-zerstorung mit ns-Pulsen dargestellt.

Dieses Verhalten kann durch eine Reduzierung der Inter-aktionszeit reduziert werden. Mit fs-Pulsen konnen klei-ne Materialzerstorungen erzeugt werden, ohne dass Risseauftreten. In Abbildung 4 ist eine Struktur mit fs-Pulsendargestellt. Der Abstand zwischen den einzelnen Punkten

Abbildung 3: Materialzerstorung in PMMA mit ns-Pulsen.In der Umgebung treten Risse im Material durch mechanischeSpannungen auf. Der Punkt hat eine Große von ca. 60µm.

betragt 6µm und jeder Punkt wurde mit etwa 500 Pul-sen erzeugt. Das Schreiben der Struktur mit Einzelpulsenfuhrt zu einer weiteren Reduzierung der Strukturgroße.

Abbildung 4: Materialzerstorung in PMMA mit fs-Pulsen.

Zusammenfassung

In diesem Beitrag wurde gezeigt, dass es moglich istmit ultrakurzen Laserpulsen eine photonische Struktur inein dielektrisches Material zu schreiben. Die gewunschteGroßenordung kann jedoch nur mit Einzelpulse erzeugtwerden.

Literatur

[1] Schaer, T.; Imlau, M.: Optisches Hydrophon basie-rend auf photonischen Kristallen. DAGA (2011), 429– 430

[2] Lerch, R.; Sessler, G.; Wolf, D.: Technische Akustik –Grundlagen und Anwendungen. Springer Verlag, Ber-lin – Heidelberg, 2009

[3] Ieda, M: Dielectric Breakdown Process of Polymers,IEEE Transactions on Electrical Insulation, Vol. EI-15, No.3, June 1980, pp. 206 – 224

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