forschungsprogramm optische technologien - Baden-Württemberg ...
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[Schriftenreihe der Landesstiftung <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong>]<br />
FORSCHUNGSPROGRAMM<br />
OPTISCHE TECHNOLOGIEN<br />
der Landesstiftung <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong><br />
Zwischenberichte aus den Forschungsprojekten
2<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
Impressum<br />
Forschungsprogramm Optische Technologien<br />
der Landesstiftung <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong><br />
Zwischenberichte aus den Forschungsprojekten<br />
Herausgeberin:<br />
Landesstiftung <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong> gGmbH<br />
Richard-Wagner-Straße 51, 70184 Stuttgart<br />
Internet: www.landesstiftung-bw.de<br />
Verantwortlich: Rudi Beer<br />
Für die Darstellung der einzelnen Forschungsprojekte<br />
sind die Projektleiter verantwortlich.<br />
Abbildungen:<br />
Landesstiftung <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong> gGmbH<br />
und Projektpartner<br />
Gestaltung:<br />
BPPA, Stuttgart<br />
Druck:<br />
Druckerei Mack, Schönaich<br />
© September 2005, Stuttgart<br />
Schriftenreihe der Landesstiftung <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong>; 15<br />
ISSN 1610-4269
FORSCHUNGSPROGRAMM<br />
OPTISCHE TECHNOLOGIEN<br />
der Landesstiftung <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong><br />
Zwischenberichte aus den Forschungsprojekten<br />
3
4<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
Inhalt<br />
[2001]<br />
[2002]<br />
Forschungsprogramm Optische Technologien<br />
der Landesstiftung <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong><br />
Zwischenberichte aus den Forschungsprojekten<br />
Vorwort 6<br />
Geleitwort 7<br />
Ausschreibung 2001:Design <strong>optische</strong>r Systeme<br />
Entwurf und Realisierung hochauflösender<br />
fokusinvarianter <strong>optische</strong>r Systeme mittels Wellenfrontkodierung und<br />
Adaptive Phasenplatten für fokusinvariante <strong>optische</strong> Systeme 10<br />
Holografische Endoskopie für 3D-Untersuchungen 12<br />
Messtechnik und Bildverbesserung mit Adaptiver Membranspiegel-Optik 14<br />
Mikro<strong>optische</strong> scannende Laserstrahl-Führungssysteme für endoluminale<br />
Anwendungen 16<br />
Mikro<strong>optische</strong> Systeme für die lasergestützte<br />
minimalinvasive Verbrennungsdiagnostik 18<br />
Rigorose numerische Simulation in Optik-Design und hochauflösender Messtechnik 20<br />
Ausschreibung 2001:Neue Laserstrahlquellen<br />
Halbleiter-Scheibenlaser 22<br />
Ausschreibung 2002:Aktive Optik<br />
Aktive Mikro-Manipulation 26<br />
Elektrisch gesteuerte Benetzung für adaptive Mikrolinsen 28<br />
Erzeugung und Adaptation dynamischer kohärenter Masken<br />
für den aktiven <strong>optische</strong>n Form- und Verformungsvergleich 30<br />
Grundlegende Untersuchungen zur Herstellung hochpräziser Komponenten<br />
durch schnelles Heißprägen anorganischer Gläser für Anwendungen in <strong>optische</strong>n<br />
Übertragungs<strong>technologien</strong> und Systemen der aktiven Optik 32<br />
Integrations- und Präzisions<strong>technologien</strong> für<br />
aktive <strong>optische</strong> Spiegelelemente 34<br />
9<br />
25
[2003/2004] 37<br />
Ausschreibung 2003/2004:<br />
Optische Zellsensorik und Zellaktorik<br />
FRET in TIRFM: Räumlich und zeitlich hochauflösende Detektion<br />
von Protein-Protein-Interaktionen in Zelladhäsionskomplexen 38<br />
Hochauflösende, isotrope Fluoreszenzmikroskopie in extrem streuenden Proben 40<br />
Neue 4Pi-Kontraste zur Abbildung lebender Zellen 42<br />
Nicht-invasive Darstellung menschlicher Hirnfunktionen mittels<br />
Diffusing-Wave-Spectroscopy (DWS) 44<br />
Visualisierung dynamischer Prozesse bei der Zelldifferenzierung<br />
durch kontrastverstärkende Ramanmikroskopie und zeitaufgelöste<br />
Fluoreszenzmikroskopie 46<br />
Ausschreibung 2003/2004:<br />
Optische Systeme für den Terahertzbereich<br />
Entwicklung eines kompakten Mikrospektrometers für den Terahertzbereich 48<br />
Ausschreibung 2003/2004:<br />
Adaptive Optiken ohne mechanische Aktoren<br />
Adaptive Linsenarrays mit variablem Abstand 50<br />
Magnetisch verstellbare Adaptive Linsen auf Basis von Nanopartikeln 52<br />
Maßgeschneiderte hochdispersive Dünnfilmfilter für Laserscanning-Anwendungen 54<br />
Thermisch aktivierte Bauelemente für die adaptive Optik 56<br />
Mitglieder „Photonik-Zentrum“ der Landesstiftung <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong> 58<br />
Gutachter Förderprogramm „Forschung Optische Technologien“<br />
der Landesstiftung <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong> 59<br />
5
6<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
Vorwort<br />
Herbert Moser MdL,<br />
Geschäftsführer der Landesstiftung<br />
<strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong><br />
<strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong> ist ein hochentwickelter<br />
Standort, der weltweit zu den Spitzenregionen zählt. Die<br />
Landesstiftung als eine der größten Stiftungen Deutschlands<br />
hat es sich zum Ziel gesetzt, in die Zukunft <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong>s<br />
und seiner Menschen zu investieren und damit zur<br />
Zukunftssicherung dieses Standorts beizutragen. Naturgemäß<br />
spielt hierbei der Bereich der Forschung eine zentrale Rolle.<br />
Erfolgreiche Forschung wirkt gleichsam als Schrittmacher in<br />
Richtung Zukunft.<br />
Eine im Auftrag der Landesstiftung von der Unternehmensberatung<br />
Roland Berger & Partner im Jahr 2000 erstellte Studie<br />
zum Thema „Zukunftsinvestitionen in <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong>“<br />
belegte u.a. eindrucksvoll die Spitzenpositionen in Wirtschaft<br />
und Wissenschaft im Bereich der <strong>optische</strong>n Technologien im<br />
Land. Diese Spitzenposition gilt es nachhaltig zu stärken und<br />
auszubauen.<br />
Bereits im Jahr 2001 hat die Landesstiftung das „Forschungsprogramm<br />
Optische Technologien“ ins Leben gerufen. Im<br />
Rahmen dieses Forschungsprogramms wurden in den Jahren<br />
2001, 2002 und 2003/2004 drei wissenschaftlich begutachtete<br />
Ausschreibungen durchgeführt, über die 23 wissenschaftlich<br />
hochkarätige Forschungsprojekte mit großem Innovationspotenzial<br />
mit einem Projektvolumen von rd. 9 Mio. Euro für<br />
<strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong> identifiziert und in Auftrag gegeben<br />
wurden.<br />
Zur Identifikation der Forschungsthemen hat die Landesstiftung<br />
das „Photonik-Zentrum“ eingerichtet, in dem Experten<br />
auf dem Gebiet der <strong>optische</strong>n Technologien aus Industrie und<br />
Wissenschaft mitwirken. Durch dieses Gremium war es möglich,<br />
strategische Forschungsfelder im Bereich der Photonik<br />
unter Berücksichtigung nationaler und internationaler<br />
Entwicklungen zu identifizieren und diese unter besonderer<br />
Berücksichtigung der baden-württembergischen Struktur in<br />
Wissenschaft und Wirtschaft in konkrete Forschungsprogramme<br />
umzusetzen.<br />
Die Projektträgerschaft für die Ausschreibungen wurde dem<br />
Kompetenznetz Photonics BW e.V. übertragen.<br />
Die vorliegende Broschüre soll einen Überblick über das<br />
Förderprogramm geben und über die Ziele und den Stand der<br />
Forschungsprojekte aus den ersten drei Ausschreibungen<br />
informieren.<br />
Herbert Moser MdL<br />
Geschäftsführer
Geleitwort<br />
Photonics BW e.V. ist ein vom Bundesministerium für Bildung und<br />
Forschung (BMBF) geförderter, gemeinnütziger eingetragener Verein<br />
zur Förderung der <strong>optische</strong>n Technologien in Forschung, Entwicklung<br />
und Anwendung, Aus- und Weiterbildung sowie Marketing und Öffentlichkeitsarbeit<br />
in <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong>. Photonics BW e.V. wurde im Juli<br />
2000 gegründet und vereint heute bereits 40 Mitglieder aus der Industrie,<br />
KMU und Wissenschaft sowie aus der Finanz- und Beratungsbranche.<br />
Photonics BW ist seit 2001 Projektträger im Rahmen des Förderprogramms<br />
„Forschung Optische Technologien“ der Landesstiftung<br />
<strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong> gGmbH.<br />
Die <strong>optische</strong>n Technologien haben sich zu den<br />
bedeutendsten Technologien unserer heutigen Industrie- und<br />
Informationsgesellschaft entwickelt. Die Vielzahl der Entwicklungen<br />
und Anwendungen rund um das Licht ließen den<br />
Begriff der „Photonik“ in Analogie zur Elektronik entstehen.<br />
Entsprechend der „Deutschen Agenda Optische Technologien<br />
für das 21. Jahrhundert“ werden hierunter die Gesamtheit aller<br />
physikalischen, chemischen und biologischen Naturgesetze<br />
und Technologien zur Erzeugung, Verstärkung, Formung, Übertragung,<br />
Messung und Nutzbarmachung von Licht vom extremen<br />
ultravioletten bis zum infraroten Spektralbereich zusammengefasst.<br />
In nahezu allen Bereichen werden Aufgaben<br />
zunehmend mit <strong>optische</strong>n Technologien gelöst, enthalten<br />
Produkte mehr und mehr <strong>optische</strong> Komponenten als Schlüsselbausteine.<br />
Darüber hinaus bilden die <strong>optische</strong>n Technologien<br />
vielfach die Grundlage und Voraussetzung für weitere technologische<br />
Entwicklungen und Anwendungen. Dem Photon wird<br />
deshalb in diesem Jahrhundert eine vergleichbare Bedeutung<br />
zugesprochen wie dem Elektron im vergangenen Jahrhundert.<br />
In der Kommunikationstechnik beispielsweise haben die <strong>optische</strong>n<br />
Technologien aufgrund ihrer um ein Vielfaches höheren<br />
Übertragungsbandbreite auf längeren Verbindungsstrecken die<br />
Kupferkabel verdrängt. So werden heute bereits über 90 % des<br />
weltweit ständig wachsenden Internet-Datenaufkommens mit<br />
Hilfe von Lasern und Glasfasernetzen übertragen. Mit der<br />
Wavelength-Division-Multiplexing-Technik werden künftig<br />
Datenübertragungsraten von 3,2 Terabit/s über eine einzige<br />
Glasfaser möglich – das entspricht etwa 40 Millionen<br />
Telefonkanälen.<br />
In der Fertigungstechnik, z. B. der Automobil- und Maschinenbauindustrie,<br />
ist der Laser zu einem unentbehrlichen Werkzeug<br />
geworden und hat zahlreiche herkömmliche Verfahren substituiert.<br />
Seine Vorzüge liegen in der hohen Bearbeitungsqualität,<br />
Produktivität und Flexibilität sowie der guten Automatisierbarkeit.<br />
Mit dem Laser können unterschiedlichste Bearbeitungsverfahren,<br />
wie das Trennen, Fügen, Bohren, Beschriften,<br />
Formen, Oberflächenbehandeln sowie Strukturieren und<br />
Abtragen, durchgeführt werden. Ein Beispiel ist das Remote<br />
Welding, mit dem künftig Automobilkarosserien mit höchsten<br />
Schweißgeschwindigkeiten und minimalen Positionierzeiten<br />
gefertigt werden. Die Entwicklung neuer Strahlquellen mit<br />
höherer Leistung, besserer Fokussierbarkeit sowie kürzeren<br />
Pulsen bis in den Femtosekunden-Bereich werden auch weiterhin<br />
neue Anwendungen sowohl im makroskopischen als auch<br />
im mikroskopischen Bereich erschließen.<br />
Auch in der Medizin hat sich der Laser als vielseitiges<br />
Instrument für chirurgische Anwendungen etabliert und<br />
ermöglicht hier minimalinvasive und patientenschonende<br />
Eingriffe selbst in sensibelste Bereiche wie z. B. dem Auge.<br />
7
8<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
So ist die Femto-LASIK zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten ein<br />
in den USA seit Jahren bewährtes Verfahren und befindet sich<br />
gegenwärtig im europäischen Raum in der Einführung.<br />
Optische Technologien helfen auch, neue Erkenntnisse über<br />
Entstehung und Heilung von Krankheiten zu gewinnen. In der<br />
Pharmaindustrie beschleunigen z. B. <strong>optische</strong> Screening-<br />
Verfahren die Entwicklung von Medikamenten mit verbesserter<br />
Wirksamkeit bei gleichzeitiger Senkung der Kosten. Mit der<br />
Fluoreszenzmikroskopie werden die Visualisierung komplexer<br />
dynamischer Prozesse in lebenden Systemen und die Analyse<br />
zugrunde liegenden Mechanismen möglich.<br />
Anwendungspotenziale liegen beispielsweise in der Evaluation<br />
neuer Therapeutika zur Behandlung von Tumorerkrankungen<br />
sowie in der Entwicklung regenerativer Therapien.<br />
Die <strong>optische</strong> Messtechnik trägt maßgeblich zur Qualität und<br />
Sicherheit moderner industrieller Fertigungsprozesse in den<br />
unterschiedlichsten Branchen bei. In die Fertigungslinie integrierte<br />
<strong>optische</strong> Mess- und Prüfverfahren ermöglichen eine<br />
Rückkopplung vielfältigster Prozessdaten in Qualitätsregelkreise<br />
in Echtzeit, so dass Abweichungen in der Fertigung rechtzeitig<br />
erkannt und Korrekturen vorgenommen werden können.<br />
Dadurch können enge Fertigungstoleranzen eingehalten und<br />
Ausschuss bzw. Nacharbeit vermieden werden. Oberflächen<br />
beispielsweise können mit Hilfe der Laser-Interferometrie<br />
berührungslos mit einer Auflösung im Nanometerbereich vermessen<br />
werden und ermöglichen so die Herstellung hochpräziser<br />
Komponenten oder die hochdynamische Messung von<br />
Bauteilschwingungen und -verformungen.<br />
In der Elektronikbranche können mit Hilfe der Lithografie<br />
Halbleiterstrukturen von derzeit bis zu 55 nm erzeugt werden,<br />
wodurch die zunehmende Miniaturisierung von Schaltkreisen<br />
und die Entwicklung von immer leistungsfähigeren Computern<br />
überhaupt erst ermöglicht wird. Mit der EUV-Lithografie werden<br />
künftig sogar Strukturgrößen von unter 35 nm angestrebt.<br />
Besondere Aufmerksamkeit erfahren derzeit <strong>optische</strong> Technologien<br />
im Wellenlängenbereich zwischen 30 und 3000 µm,<br />
deren sog. Terahertz-Strahlen Materie ähnlich wie Röntgenstrahlen<br />
durchdringen, aber als ungefährlich gelten. Damit<br />
eröffnet sich der Terahertz-Technologie ein großes und hochinteressantes<br />
Anwendungsspektrum, z. B. in der Sicherheitstechnik,<br />
der medizinischen Diagnostik und den Materialwissenschaften.<br />
Ein großer Wachstumsmarkt liegt in der Beleuchtungstechnik.<br />
Leuchtstarke weiße Leuchtdioden (LEDs) werden Glühlampen<br />
zunehmend ablösen und aufgrund des deutlich besseren<br />
Wirkungsgrads enorme Einsparungen an elektrischer Energie<br />
ermöglichen. Displays auf Basis organischer Leuchtdioden<br />
(OLEDs) werden als sehr energieeffiziente, dünne und sogar<br />
biegsame Anzeigeelemente bereits in ersten Produkten wie<br />
z. B. Mobiltelefone oder Digitalkameras eingesetzt. In Zukunft<br />
werden OLEDs großflächige Displays hoher Brillanz sowie völlig<br />
neue Beleuchtungskonzepte ermöglichen.<br />
Im Optik-Design können durch die weitere Nutzung von<br />
Diffraktions- und Polarisationseffekten, Freiformflächen und<br />
mikrostrukturierten Oberflächen neuartige abbildende und<br />
nicht-abbildende <strong>optische</strong> Komponenten mit deutlich besseren<br />
Eigenschaften für die jeweilige Applikation entwickelt oder spezielle<br />
Funktionen überhaupt erst möglich gemacht werden.<br />
Die <strong>optische</strong>n Technologien besitzen eine hohe wirtschaftliche<br />
Bedeutung und große Hebelwirkung. Schon heute lassen sich<br />
etwa 15 % der Arbeitsplätze in der verarbeitenden Industrie<br />
mittelbar oder unmittelbar den <strong>optische</strong>n Technologien zuordnen:<br />
das sind über eine Million Arbeitsplätze allein in Deutschland.<br />
Nach einer Schätzung des Vereins Deutscher Ingenieure<br />
(VDI) sind in Deutschland derzeit in der Herstellung <strong>optische</strong>r<br />
Technologien etwa 110.000 Menschen beschäftigt, die einen<br />
Jahresumsatz von rund 10 Mrd. Euro erwirtschaften. Optische<br />
Technologien aus Deutschland nehmen international vielfach<br />
eine Spitzenposition ein. Besonders erfolgreich ist die deutsche<br />
Laserbranche, die bei den Laserstrahlquellen einen Weltmarktanteil<br />
von rund 40 % und bei Lasersystemen von etwa 25 %<br />
vorweisen kann. Als eine der wenigen Branchen konnten die<br />
<strong>optische</strong>n Technologien auch in wirtschaftlich schwierigen<br />
Zeiten weiter wachsen und z. T. Wachstumsraten im zweistelligen<br />
Prozentbereich erzielen. Und auch für die kommenden<br />
Jahre rechnen Experten mit einem jährlichen Wachstum von<br />
rund 10 %.<br />
<strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong> verfügt traditionsgemäß über eine<br />
herausragende industrielle und wissenschaftliche Infrastruktur<br />
– insbesondere auch im Bereich der Photonik. Diese Position<br />
gilt es auch in Zukunft international zu verteidigen und durch<br />
geeignete förderpolitische und strukturelle Maßnahmen nachhaltig<br />
zu stärken und auszubauen.<br />
Dr. Andreas Ehrhardt Dipl.-Ing. (FH) Boris Stephan<br />
Geschäftsführer<br />
Photonics BW e.V.<br />
F+E-Projekt-Controlling
ausschreibung 2001<br />
9
10<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2001]<br />
Projekt:<br />
Wird ein <strong>optische</strong>s Abbildungssystem defokussiert, so wird das<br />
Bild aufgrund der begrenzten Schärfentiefe unscharf (Abb. 1<br />
links und Mitte). Dies ist besonders in der industriellen Bildverarbeitung<br />
nachteilig, da damit eine Einschränkung der<br />
Objektlage verbunden ist. Die Schärfentiefe kann zwar durch<br />
Abblenden des Objektivs erhöht werden, jedoch muss dann ein<br />
entsprechender Lichtverlust in Kauf genommen werden, der bei<br />
kurzen Belichtungszeiten in den meisten Anwendungen nicht<br />
toleriert wird.<br />
Wird eine transparente Platte mit kubischer Oberfläche (kubische<br />
Phasenplatte) in die Austrittspupille des Abbildungssystems<br />
gesetzt, so bewirkt die Phasenplatte zunächst eine<br />
zusätzliche Bildverschlechterung. Durch inverse Filterung des<br />
Bildes kann jedoch eine Bildqualität restauriert werden, welche<br />
dem fokussierten Bild sehr nahe kommt (Abb. 1 rechts).<br />
Mit diesem Verfahren kann eine Verbesserung der Schärfentiefe<br />
des <strong>optische</strong>n Abbildungssystems von mindestens einem<br />
Faktor fünf erreicht werden. Je größer der gewünschte Erweiterungsfaktor<br />
für den Schärfentiefenbereich ist, umso stärker<br />
muss jedoch die Phasenplatte sein. Dadurch werden in das<br />
Abbildungssystem zusätzliche Bildfehler eingeführt, die durch<br />
den Filterprozess nicht vollständig kompensiert werden können.<br />
Diese Bildfehler hängen direkt von der Stärke der verwendeten<br />
Phasenplatte ab. Es ist deshalb wünschenswert, für jede<br />
Anwendungssituation die passende Phasenplattenstärke zu<br />
wählen, um einen optimalen Kompromiss zwischen Schärfentiefenbereich<br />
und Restbildfehlern zu erhalten.<br />
Adaptive Phasenplatten erlauben es, die Phasenplattenstärke<br />
Ausschreibung 2001: Design <strong>optische</strong>r Systeme<br />
Entwurf und Realisierung hochauflösender<br />
fokusinvarianter <strong>optische</strong>r Systeme mittels<br />
Wellenfrontkodierung und Adaptive Phasenplatten<br />
für fokusinvariante <strong>optische</strong> Systeme<br />
Hochschule Aalen, Abteilung Optoelektronik<br />
Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart<br />
kontinuierlich anzupassen. Im Rahmen des Projekts werden an<br />
der Hochschule Aalen zwei verschiedene Ansätze für die Realisierung<br />
solcher Phasenmasken verfolgt. Zum einen wird in<br />
Zusammenarbeit mit dem Institut für Technische Optik (ITO) an<br />
der Universität Stuttgart adaptive Membranspiegel entwickelt<br />
und untersucht, die so deformiert werden können, dass die verursachte<br />
Wellenfront den gewünschten kubischen Verlauf hat.<br />
Zum andern werden gegeneinander verschiebbare Phasenplatten<br />
mit speziell geformten Oberflächen untersucht, die<br />
Abb. 1 Fokussiertes (links) und<br />
defokussiertes Bild (Mitte) eines<br />
konventionell aufgenommenen<br />
Streifenmusters. Rechts ist das mit<br />
Hilfe einer adaptiven, kubischen<br />
Phasenmaske aufgenommene und<br />
invers gefilterte Bild des defokussierten<br />
Streifenmusters dargestellt.<br />
aufeinandergelegt sich in der Grundposition in ihrer Wirkung<br />
kompensieren (Abb. 2 oben).<br />
Werden (Abb. 2 unten) die Phasenplatten relativ zueinander<br />
verschoben, so ist die Wirkung des Phasenplattenpaares die<br />
gleiche wie die einer kubischen Phasenplatte. Der effektive<br />
kubische Anteil ist dabei umso größer, je stärker die Phasenplatten<br />
gegeneinander verschoben sind. Die Verschiebung ist<br />
in der Größenordnung von einigen zehntel Millimetern und<br />
kann so eingestellt werden, dass die gewünschte kubische<br />
Wirkung entsteht. Im Rahmen des Projekts werden im Zentrum<br />
für <strong>optische</strong> Technologien an der HTW Aalen Fertigungsverfahren<br />
entwickelt und untersucht, um solche Phasenplatten<br />
(Freiformflächen) mit <strong>optische</strong>r Genauigkeit herzustellen.<br />
Das Prinzip der variablen Phasenplatten wurde zum Patent<br />
angemeldet. Ein Demonstrator mit entsprechenden Phasenmasken<br />
wurde hergestellt, um den praktischen Einsatz mit<br />
Herstellern von Barcode-Lesegeräten und Autofokussystemen<br />
zur Abstandsmessung zu erproben. Der Technologietransfer<br />
erfolgt durch das Technologie-Lizenz-Büro (TLB).
Ferner wird im Projekt untersucht, wie der inverse Filterprozess<br />
durch den Kohärenzgrad der Beleuchtung beeinflusst wird. Dies<br />
ist besonders dann von Bedeutung, wenn das Verfahren in der<br />
Mikroskopie eingesetzt wird, wo teilkohärente Beleuchtung<br />
vorliegt.<br />
Da kommerziell erhältliche Software-Programme für die notwendigen<br />
physikalisch-<strong>optische</strong>n Simulationen nicht oder nur<br />
unzureichend einsetzbar sind, wurde im Rahmen des Projekts<br />
das Simulationsprogramm PHYOS (physical simulation of optical<br />
systems) entwickelt. Das Simulationsprogramm simuliert<br />
die Abbildung <strong>optische</strong>r Systeme wellenoptisch und verarbeitet<br />
sowohl Phasen- als auch Amplitudenobjekte. Diese können<br />
mathematisch modelliert oder auch als Bilder über eine CCD-<br />
Kamera eingelesen werden.<br />
Abb. 2. Variable Phasenmaske.<br />
Oben Phasenmaske in der neutralen<br />
Grundstellung. Unten Phasenmaske<br />
mit kubischer Wirkung.<br />
Die Modellierung des Abbildungssystems selbst erfolgt durch<br />
das Optikdesign-Programm ZEMAX. Das Programm PHYOS<br />
übernimmt die Systemdaten als Zernike-Koeffizienten formatgerecht<br />
in Form von ASCII-Dateien. Experimentelle Ergebnisse<br />
können mit den Simulationsmodellen verglichen werden.<br />
Das Programm PHYOS kann als Entwicklungswerkzeug zur<br />
Optimierung von Phasenplatten für fokusinvariante <strong>optische</strong><br />
Systeme eingesetzt werden und umfasst folgende Merkmale:<br />
> Simulation realer <strong>optische</strong>r Systeme mit<br />
Abbildungsfehlern<br />
> kompatibel mit ZEMAX<br />
> kohärente, teilkohärente und inkohärente Abbildung<br />
> monochromatische und polychromatische Abbildung<br />
> Systeme mit feldabhängigen Bildfehlern<br />
> Phasenkontrastabbildung<br />
> Berechnung und Darstellung von<br />
OTF (<strong>optische</strong> Transferfunktion)<br />
PSF (point spread function) und<br />
MTF (modulation transfer function)<br />
> inverse Filterung im Frequenzraum<br />
> inverse Filterung im Ortsraum<br />
> Rauschunterdrückung durch Wienerfilter<br />
11
12<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2001]<br />
Projekt:<br />
Ausschreibung 2001: Design <strong>optische</strong>r Systeme<br />
Holografische Endoskopie für 3D-Untersuchungen<br />
Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart<br />
Endoskopische Untersuchungen gewinnen sowohl im Maschinenbau,<br />
der Fein- und Mikrotechnik als auch in verschiedenen<br />
Bereichen der Medizin zunehmend an Bedeutung. Vielversprechende<br />
Anwendungen sind u.a. in der zerstörungsfreien Prüfung<br />
von Innenräumen technischer Komponenten zu finden,<br />
die sich einer konventionellen Beobachtung entziehen. Die<br />
Ermittlung geometrischer Eigenschaften an schwer zugänglichen<br />
Stellen ist insbesondere im Verkehrsmittelbau von großer<br />
wirtschaftlicher Bedeutung. Durch die Kombination von Endoskopie<br />
und holografischer Interferometrie lassen sich zusätzlich<br />
festkörpermechanische Daten wie z.B. Dehnungsfelder und<br />
Materialparameter gewinnen, so dass sich das Anwendungsgebiet<br />
klassischer endoskopischer Prinzipien deutlich erweitert.<br />
Die holografische Interferometrie ist eine berührungslose und<br />
flächenhafte kohärente Messtechnik. Sie wurde in den vergangenen<br />
30 Jahren zur Messung von Formen, statischen und<br />
dynamischen Formänderungen, Dehnungen und Dichteverteilungen<br />
erfolgreich eingesetzt. Mit holografischer Interferometrie<br />
werden zwei oder mehrere Wellenfelder, die zu verschiedenen<br />
Zeiten holografisch registriert wurden, miteinander verglichen.<br />
Durch die Weiterentwicklung der elektronischen Bildsensoren<br />
(CCD, CMOS) und der digitalen Bildverarbeitung konnten<br />
sich Verfahren der digitalen Holographie etablieren. Nach der<br />
Registrierung und Speicherung der Hologramme auf dem<br />
Bildsensor bzw. im Computer erfolgt die Rekonstruktion durch<br />
eine digitale Simulation der Propagation des Wellenfeldes. Die<br />
Technik erlaubt einen weitaus höheren Grad an Automatisierung<br />
und Miniaturisierung als die konventionelle Holografie.<br />
Pulslaser erlauben es, die Messzeit drastisch zu verkürzen<br />
(z.B. auf wenige Nanosekunden) und unerwünschte Störungen<br />
zu eliminieren, so dass dynamische Prozesse messbar sind. Bei<br />
der gepulsten digitalen Holografie werden in kurzem zeitlichem<br />
Abstand zwei oder mehrere Hologramme eines Objektes<br />
auf einem CCD-Chip registriert. Durch den interferometrischen<br />
Vergleich dieser Wellenfronten kann auf eine lokale Veränderung<br />
des Objektes infolge von dynamischen Verschiebungen<br />
geschlossen werden. Daher kann die gepulste digitale Holografie<br />
neben der flächenhaften Messung von Verformungen, vorteilhaft<br />
für die Schwingungsanalyse an mechanischen Bauteilen<br />
eingesetzt werden. Zur Untersuchungen des dreidimensionalen<br />
Schwingungsverhaltens von Objekten ist es notwendig,<br />
die Form des zu messenden Objekts zu kennen, was ebenfalls<br />
mit einer auf digitaler Holographie basierenden Methode<br />
erreicht wird.<br />
Die in dem Projekt „Holografische Endoskopie für 3D-Untersuchungen“<br />
entwickelten Methoden erlauben es, das Anwendungsfeld<br />
endoskopischer Techniken im Hinblick auf dynamische<br />
Verformungen (z.B. Schwingungen) an schwer zugängliche<br />
Stellen zu erweitern. Durch die drastisch verringerte<br />
Messzeit von wenigen Nanosekunden (Einzelimpuls) bzw.<br />
Mikrosekunden (Pulsabstand) erscheinen Untersuchungen<br />
im industriellen Umfeld realistisch.<br />
Im ersten Teil wurde die bereits am Institut für Technische<br />
Optik (ITO) der Universität Stuttgart entwickelte Aufnahmetechnik<br />
für den endoskopischen Einsatz erweitert und optimiert.<br />
Es wurde die Pulsholografie mit kommerziell erhältlichen<br />
starren und flexiblen Endoskopen proximal untersucht. Um die<br />
Fähigkeit des endoskopischen Systems zu prüfen, wurden Messungen<br />
an verschiedenen Teilen durchgeführt. Als starres Endoskop<br />
wurde ein Swing Prism Borescope der Fa. Karl Storz mit<br />
einer Länge von 0,5 m und einem Durchmesser von 6 mm verwendet.<br />
Weitere Untersuchungen wurden mit einem flexiblen<br />
Endoskop angestellt. Zu diesem Zweck erfolgte die Integration<br />
eines Gerätes der Fa. Schölly in eine Anordnung für gepulste<br />
digitale Holografie.<br />
Eine weitere Möglichkeit ergibt sich, wenn der holografische<br />
Sensor distal angekoppelt wird und direkt in das Objekt eingeführt<br />
wird. Damit ergeben sich eine Reihe von praktischen<br />
Vorteilen für die 3D-Form- und Verformungsmessung mittels<br />
Endoskopie. Vorraussetzung ist jedoch eine drastische Miniaturisierung<br />
des holografischen Messkopfes, um es in entspre-
chende Kavitäten (z.B. Motoren-, Turbinen- oder Körperhohlräume)<br />
einführen zu können. Eine sehr kleine Kamera wurde in<br />
einem miniaturisierten holografischen Messkopf eingesetzt.<br />
Der Durchmesser beträgt in diesem Fall lediglich 7 mm (Abb. 1).<br />
Faser. Referenz<br />
Faser<br />
CCD, 752 x 582 Pixel<br />
Pixelgröße: 3.2 µm x 3.1 µm<br />
Objektsbeleuchtung<br />
Abb. 1: Prototyp eines miniaturisierten<br />
holografischen Messkopfs mit<br />
Kamera, Durchmesser 7 mm.<br />
Als Lichtquelle wurde ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Pulslaser<br />
mit einer Wellenlänge von 532 nm und einer Pulslänge<br />
von 10 ns bei einer Frequenz von 20 Hz verwendet. Es wurden<br />
bereits erste Messungen durchgeführt. Ein Beispiel ist in Abb. 2<br />
dargestellt.<br />
Defekt<br />
Apertur<br />
Linse<br />
Abb. 2: Schwingungsmessung eines<br />
Objekts mit Defekt. Schwingungsfrequenz<br />
2350 Hz. Streifenbild (a).<br />
Pseudo-3D Darstellung des<br />
Schwingungsvorgangs (b).<br />
Es ist auch realistisch, das System noch weiter zu miniaturisieren<br />
und die Laserquelle ebenfalls in den Messkopf zu integrieren.<br />
Damit gelangt die Entwicklung von sehr kleinen und autonomen<br />
Messrobotern, die gezielt an schwer zugänglichen<br />
Stellen messen, in Reichweite.<br />
Referenzen:<br />
[1] S. Schedin, G. Pedrini, H.J. Tiziani, F.M. Santoyo,<br />
"All-fibre pulsed digital holography,"<br />
Opt. Comm. 165, 183-188, 1999.<br />
[2] S. Schedin, G. Pedrini, H. J. Tiziani,<br />
"A comparative study of various endoscopes for pulsed digital<br />
holographic interferometry",<br />
Applied Optics-OT, Volume 40, Issue 16, 2692-2697, June 2001<br />
[3] G. Pedrini, M. Gusev, S. Schedin, H. J. Tiziani,<br />
"Pulsed digital holographic interferometry by using a flexible<br />
fiber endoscope",<br />
Optics and Laser in Engineering 40, S. 487-499, 2003<br />
[4] G. Pedrini, I. Alexeenko, H. J. Tiziani,<br />
"Pulsed endoscopic digital holographic interferometry for<br />
investigation of hidden surfaces",<br />
Proc. SPIE, Vol 4933, 123-128, 2003<br />
[5] G. Pedrini, I. Alexeenko,<br />
"Miniaturised optical system based on digital holography",<br />
Proc. SPIE, Vol 5503, 493-498, 2004.<br />
[6] G. Pedrini, I. Alexeenko, W. Osten,<br />
„Gepulste digitale Holografie für Schwingungsmessungen an<br />
schwer zugänglichen Oberflächen“,<br />
Tech. Mess. 3, 172-179, 2005<br />
13
14<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2001]<br />
Projekt:<br />
Ziel des Verbundprojekts ist die Entwicklung von innovativen<br />
Verfahren für die Messtechnik und Bildverbesserung mit Hilfe<br />
von adaptiver Optik.Dabei kommen neuartige adaptive<br />
Bauteile zum Einsatz, die zum Teil im Rahmen des Projektverbundes<br />
neu entwickelt und realisiert wurden.<br />
Ausschreibung 2001: Design <strong>optische</strong>r Systeme<br />
Messtechnik und Bildverbesserung mit Adaptiver<br />
Membranspiegel-Optik<br />
Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart<br />
Hochschule Aalen<br />
Mit adaptiven Optiken können Wellenfronten gezielt verformt<br />
werden.In den letzten Jahren wurden neuartige Membranspiegel<br />
entwickelt, die sich durch Schnelligkeit, Robustheit und<br />
hohe <strong>optische</strong> Qualität bei im Vergleich mit den bisherigen,<br />
piezogetriebenen adaptiven Optiken günstigem Preis auszeichnen.Durch<br />
die Integration dieser adaptiven Optiken in den<br />
<strong>optische</strong>n Aufbau werden für aktuelle Probleme in der <strong>optische</strong>n<br />
Messtechnik neue Lösungsansätze entwickelt, die im<br />
Folgenden vorgestellt werden.<br />
Flexible Asphärenmesstechnik<br />
Ein aktuelles Problem der <strong>optische</strong>n Industrie ist die flächenhafte<br />
Vermessung von asphärischen, d.h. nichtkugelförmigen,<br />
Oberflächen.Asphären bieten dem Optik-Designer im Vergleich<br />
zu sphärischen Flächen wesentlich mehr Design-Flexibilität,<br />
wodurch sich Systeme mit einer geringeren Anzahl von Flächen<br />
bei vergleichbaren oder besseren <strong>optische</strong>n Eigenschaften realisieren<br />
lassen.<br />
Bei der interferometrischen Vermessung von asphärischen<br />
Flächen muss die Wellenfront des Interferometers an den jeweiligen<br />
Asphärentyp angepasst werden, um zu hohe Streifendichten<br />
im Interferogramm oder gar Vignettierung des Messlichts<br />
zu vermeiden.Diese Aufgabe übernimmt die sogenannte<br />
Nulloptik, die bei idealem Prüfling ein Interferogramm ohne<br />
Streifen erzeugt.Für Kleinserien ist die Fertigung von individuellen<br />
Nulloptiken zu kosten- und zeitaufwändig.Ziel ist es<br />
daher, im Rahmen des Projektes eine flexible Asphärenmesstechnik<br />
auf Basis von Membranspiegeln zu entwickeln.<br />
Ein Beispiel für einen solchen Membranspiegel ist der in Abb.1<br />
dargestellte 50 mm-Spiegel.<br />
Dieser Spiegel erzeugt reproduzierbar die notwendigen asphä-<br />
Abb. 1: Membranspiegel mit 50 mm<br />
Durchmesser. Der Spiegel wird über<br />
79 elektrostatischen Aktuatoren angesteuert.<br />
rischen Wellenfronten und bildet damit die Basis für die entwickelte<br />
adaptive Nulloptik.Im Projekt werden verschiedene<br />
Konzepte zur Integration des Spiegels in den interferometrischen<br />
Aufbau untersucht.Dabei spielt die Kalibrierung des<br />
Prüfaufbaus eine entscheidende Rolle – für eine komplette Prüfung<br />
müssen auch Messungen in Nicht-Nulltest-Konfiguration<br />
durchgeführt werden.Neue Kalibrieransätze mit Hilfe von diffraktiven<br />
Optiken werden entwickelt.Die maximale Deformation<br />
des Spiegels ist prinzipbedingt begrenzt.Ein Schwerpunkt<br />
des Projekts ist daher auch die Entwicklung von Methoden zur<br />
Messbereichserweiterung zur Vermessung von Asphären mit<br />
höherer Asphärizität.<br />
Konfokalmikroskopie:<br />
Messbereichserweiterung und Aberrationskorrektur<br />
Ein weiteres Thema des Verbundprojekts ist die Aberrationskorrektur<br />
in konfokalen Mikroskopen mit Hilfe von Membranspiegeln.Die<br />
zu korrigierenden Aberrationen sind die Folge von Dicken-<br />
und Brechungsindexvariationen von Deckglas bzw.Probe.
Es wurde bereits erfolgreich ein hochdynamisierbares konfokales<br />
System demonstriert, das durch den Einsatz von Membranspiegeln<br />
ohne mechanischen z-Scan auskommt. Der Scan wird<br />
durch den Spiegel mit Stellzeiten unter 1 ms realisiert. Für den<br />
schnellen Tiefenscan mit adaptiven Spiegeln wurde ein Auswerteverfahren<br />
aus der chromatisch-konfokalen Mikroskopie<br />
adaptiert.<br />
Für die Aberrationskorrektur beim Tiefenscan ins Material<br />
wurde die Ansteuer-Software für den adaptiven Spiegel um ein<br />
neues Optimierungsmodul basierend auf einem genetischen<br />
Algorithmus erweitert. Hierzu wurde ein neuartiges Verfahren<br />
zur Ermittlung einer einzelnen skalaren Größe zur Wellenfrontcharakterisierung<br />
unter Verwendung der Informationsentropie<br />
definiert.<br />
Wellenfrontkodierung<br />
Die dritte messtechnische Anwendung, die im Rahmen des<br />
Verbundprojekts untersucht wird, ist die Wellenfrontkodierung.<br />
Diese erlaubt die Erhöhung der Schärfentiefe eines abbildenden<br />
Systems durch gezielte Einbringung von bekannten Aberrationen,<br />
die in einem zweiten Schritt rechnerisch eliminiert<br />
werden (inverse Filterung).<br />
Abb. 2: Simulationsergebnisse<br />
zur Wellenfrontkodierung.<br />
Links: Wellenfrontkodierung mit ideal<br />
kubischer Phasenfunktion,<br />
rechts zum Vergleich: gleiches Bild<br />
ohne Wellenfrontkodierung.<br />
Im Rahmen des Projekts wird der Entwurf der dafür benötigten<br />
Phasenmasken in Bezug auf spezifische Objektiv-Designs und<br />
spezielle Kontrastierungsverfahren sowohl theoretisch als auch<br />
experimentell untersucht und optimiert. Ferner wird der Einfluss<br />
des Kohärenzgrads der Beleuchtung auf die Abbildungseigenschaften<br />
und die inverse Filterung untersucht. Als flexible<br />
Erweiterung zu statischen Phasenmasken werden adaptive<br />
<strong>optische</strong> Systeme untersucht und an einem Mikroskopaufbau<br />
erprobt. Hierfür wurde die Optik-Simulationssoftware "PHYOS"<br />
entwickelt. Neben speziell für das Problem angepassten<br />
Membranspiegeln wird ein neuer, zum Patent angemeldeter<br />
Ansatz verfolgt (Abb. 3).<br />
Abb. 3: Realisierung einer<br />
konkaven (oben) konvexen<br />
(unten) Phasenplatte, wie sie<br />
zum Patent angemeldet wurden.<br />
Die Bearbeitung erfolgt<br />
mit Hilfe eines Polierroboters<br />
im Zentrum für Optische<br />
Technologien an der<br />
Hochschule Aalen.<br />
Hierfür werden zwei gegeneinander verschiebbare Phasenplatten<br />
benötigt, die mit Hilfe eines Polierroboters an der<br />
Hochschule Aalen hergestellt wurden. Mit Hilfe der variablen<br />
Phasenplatten ist es möglich, die Stärke des Phasenplattensystems<br />
an die Erfordernisse der Optik und des Objekts anzupassen.<br />
15
16<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2001]<br />
Projekt:<br />
Motivation und Ziel<br />
Für die Inspektion kleiner Hohlräume stehen für die Medizin<br />
und Technik heute eine Vielzahl von Endoskopen zur Verfügung.<br />
Die kleinsten flexiblen Bildleiter erreichen Durchmesser von<br />
unter 0,5 mm, Mini-Endoskope mit Arbeitskanal sind mit<br />
Außendurchmessern von etwa 2 mm erhältlich. Die Arbeitskanäle<br />
können Lichtleiter aufnehmen, so dass die Hohlräume<br />
nicht nur betrachtet, sondern auch z.B. mit Laserstrahlung<br />
bearbeitet werden können. Für die Zukunft ist davon auszugehen,<br />
dass<br />
Ausschreibung 2001: Design <strong>optische</strong>r Systeme<br />
Mikro<strong>optische</strong> scannende Laserstrahl-<br />
Führungssysteme für endoluminale Anwendungen<br />
Institut für Laser<strong>technologien</strong> in der Medizin und Meßtechnik (ILM) an der Universität Ulm<br />
a) die zu untersuchenden und zu bearbeiteten<br />
Hohlräume immer kleiner werden und<br />
b) eine zunehmende Automatisierung die visuelle<br />
Inspektion zum Teil ablösen und daher eine vollständige<br />
Bildaufnahme unnötig sein wird.<br />
Um diesen zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden, ist<br />
es Ziel des Projekts, ein <strong>optische</strong>s System zu entwickeln, welches<br />
das Vordringen in noch kleinere Dimesionen erlaubt und<br />
die automatisierte Bearbeitung unterstützt.<br />
Idee und Konzept<br />
Die am ILM entwickelte Grundidee ist es, Hohlräume mit nur<br />
einem einzelnen Lichtleiter variabel zu bestrahlen und/oder im<br />
Hohlraum (re-) emittiertes Licht winkelaufgelöst zu detektieren.<br />
Die Detektion des Lichts aus dem Hohlraum, z.B. Fluoreszenzstrahlung<br />
oder rückgestreutes Licht, erlaubt eine richtungsselektive<br />
Abrasterung des Hohlraums zur Diagnostik.<br />
Abb. 1: Abstrahlungsmuster, die mit<br />
zylinderförmigen Fasern erzeugt werden<br />
können. Der Ringdurchmesser<br />
steigt mit zunehmendem Einkoppelwinkel<br />
an, dünnere Lichtleiter führen<br />
zu schmaleren Ringen<br />
(oben: = 500 µm Simulation,<br />
unten: = 200 µm Messung).<br />
Wenn diese zur Regelung der Bearbeitung bzw. Therapie als<br />
Feedback genutzt werden kann, ist eine automatisierte<br />
Behandlung ohne visuelle Kontrolle möglich. Durch die<br />
Benutzung einer einzigen Faser für die Bestrahlung und die<br />
Rückführung <strong>optische</strong>r Feedback-Signale sind prinzipiell sehr<br />
kleine Baugrößen möglich. Die "Faser-Scanner" können sowohl<br />
alternativ zu als auch in Verbindung mit Endoskopen zur flexiblen<br />
Beleuchtung, Diagnostik oder Bearbeitung eingesetzt werden.<br />
Forschung und Realisierung<br />
Der gewählte <strong>optische</strong> Ansatz besteht darin, durch eine gezielte<br />
Variation des Einkoppelwinkels in einen Lichtleiter eine<br />
Variation des Auskoppelwinkels zu erreichen. Der gewünschte<br />
auskoppelseitige Winkelbereich und die Auflösung werden<br />
durch den Bereich und die Rasterung des Einkoppelwinkels<br />
sowie durch das Lichtleiter-Design bestimmt. Um die Grundlage<br />
für möglichst viele Anwendungen zu legen, wurden<br />
zunächst alle relevanten Abhängigkeiten der Übertragung<br />
quantifiziert. Neben Faktoren wie Länge, Querschnitt und<br />
Material des Lichtleiters wurden auch spezielle Modifikationen<br />
der Faserenden, wie Anschrägungen oder Taper untersucht.<br />
Beispielhaft sind in Abb. 1 Beleuchtungsmuster von zylinderförmigen<br />
Fasern zu sehen. Je nach Einkoppelwinkel kann die<br />
Abstrahlung zwischen einem wenig divergenten axialen<br />
Bündel bis zu ringförmigen Verteilungen variiert werden. Die<br />
Abb. 2 zeigt die Konstruktion eines Scan-Handstücks für die<br />
Zahnmedizin unter Verwendung einer Faser mit rechteckigem<br />
Querschnitt. Die Strahlung eines Er:YAG-Lasers wird über eine
Optik und einen beweglichen Spiegel unter verschiedenen<br />
Winkeln in den Lichtleiter eingekoppelt. Über ein Fluoreszenz-<br />
Feedback kann kariöses Gewebe automatisch erkannt und<br />
dann im Innern des Zahns ohne Sicht entfernt werden.<br />
Anwendungsgebiete und Einsatzmöglichkeiten<br />
Je nach Fasertyp und Ausgestaltung der Faserenden kann eine<br />
Vielfalt verschiedener Abstrahl- oder Detektions-Charakteristika<br />
realisiert werden, z.B. auch 2-dimensionale Scans oder axiale<br />
Scans entlang der Faser. Da sich zur Lichtleitung auch Quarzoder<br />
Saphirfasern eigenen, stehen dem "Faser-Scanner" auch<br />
heiße oder chemisch aggressive Umgebungen offen. Der mögliche<br />
Spektralbereich für die Bestrahlung oder Detektion<br />
erstreckt sich vom UV bis zum infraroten Spektralbereich.<br />
Mögliche Anwendungen sind:<br />
Abb. 2: Konstruktion eines Handstücks<br />
mit Faserscanner für die Zahnmedizin.<br />
Über eine Optik mit beweglichem<br />
Spiegel kann unter verschiedenen<br />
Winkeln in den Lichtleiter eingekoppelt<br />
werden, wodurch auch die<br />
Abstrahlung variiert werden kann.<br />
Dadurch lässt es sich vermeiden, dass<br />
zur Entfernung unterminierender<br />
Karies der darüber liegende gesunde<br />
Schmelz abgetragen werden muss.<br />
> Beleuchtung, allein oder in Verbindung mit Endoskopen<br />
> Sensoren und Sonden, z.B. Temperatur (Radiometrie)<br />
> <strong>optische</strong> Analyse, z.B. durch (Fluoreszenz-) Spektroskopie<br />
> Laserbearbeitung in kleinen Bauteilen, mit und ohne<br />
Feedback, selektive Ablation, Reinigung, Trocknung,<br />
Oberflächenmodifikation<br />
> minimal-invasive medizinische Therapien<br />
Durch das nun am ILM vorhandene umfangreiche Datenmaterial<br />
und Know-how in der Simulation und Herstellung der<br />
Bauteile können für spezielle Anforderungen angepasste<br />
Systeme entworfen und realisiert werden.<br />
17
18<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2001]<br />
Projekt:<br />
Zur Untersuchung technischer Verbrennungsprozesse wie zum<br />
Bespiel zur Optimierung moderner Verbrennungsmotoren werden<br />
immer öfter laserbasierte <strong>optische</strong> Messverfahren eingesetzt.<br />
Ihr Vorteil liegt in der berührungslosen Messung mit<br />
minimalem Einfluss auf den Verbrennungsvorgang. Etablierte<br />
Verfahren zur quantitativen Erfassung von Konzentrations- und<br />
Temperaturverteilungen sind jedoch auf die Signalbeobachtung<br />
und Laserstrahlführung durch ausgedehnte Fenster angewiesen.<br />
Die hierfür notwendigen Veränderungen verbieten<br />
Untersuchungen in der seriennahen Entwicklung. Für diese<br />
Anwendungen sind mikroinvasive Techniken erforderlich. Im<br />
Rahmen dieses Projekts werden deshalb vom Institut für Technische<br />
Optik (ITO) der Universität Stuttgart und dem Physikalisch-Chemischen<br />
Institut (PCI) der Universität Heidelberg neue<br />
diagnostische Lösungen für die innermotorische, lasergestützte<br />
Verbrennungsdiagnostik entwickelt, bei denen der Eingriff in<br />
den Motorblock minimiert wird. Während das ITO über langjährige<br />
Erfahrung in der Entwicklung von Spezialoptiken durch<br />
Kombination refraktiver und diffraktiver Elemente verfügt, ist<br />
ein Schwerpunkt des PCI die Entwicklung und Anwendung von<br />
laser<strong>optische</strong>n Verfahren zur Verbrennungsdiagnostik, so dass<br />
sich die Kompetenzen der beiden Projektpartner innerhalb des<br />
Projekts ideal ergänzen.<br />
Eine wichtige Voraussetzung in modernen, mager betriebenen<br />
direkteinspritzenden Motoren ist die Bereitstellung der richtigen<br />
Treibstoff-Luft-Zusammensetzung am Ort der Zündung<br />
zum Zündzeitpunkt. Ziel des Projektes ist es, zur Untersuchung<br />
dieser Aufgabe ein minimalinvasives, auf laserinduzierter<br />
Fluoreszenz basierendes Detektionssystem zu entwickeln, das<br />
Untersuchungen in seriennahen Motoren ermöglicht. Kommerzielles<br />
Benzin enthält viele organische Komponenten, die in<br />
einem breiten spektralen Bereich fluoreszieren. Da die Konzentration<br />
dieser Komponenten stark variiert, verwendet man für<br />
quantitative Messungen nichtfluoreszierende Modelltreibstoffe,<br />
die mit Fluoreszenz-Tracern dotiert sind. Nach ihrer Anregung<br />
mit UV-Licht emittieren diese Moleküle Licht in einem<br />
definierten Spektralbereich. Für Tracer-LIF basierte Messverfah-<br />
Ausschreibung 2001: Design <strong>optische</strong>r Systeme<br />
Mikro<strong>optische</strong> Systeme für die lasergestützte<br />
minimalinvasive Verbrennungsdiagnostik<br />
Physikalisch-Chemisches Institut (PCI) der Universität Heidelberg<br />
Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart<br />
ren ist die Charakterisierung des druck- und temperaturabhängen<br />
Fluoreszenzspektrums entscheidend [1, 2]. In der späteren<br />
Anwendung gibt die Intensität und spektroskopische Analyse<br />
des Fluoreszenzsignals dann Auskunft über Tracerkonzentration,<br />
Druck, Temperatur oder Gaszusammensetzung.<br />
Als Tracer bieten sich hierbei Moleküle an, die auch schon in regulärem<br />
Treibstoff vorhanden sind, sich nicht entmischen und<br />
ähnliche Siedetemperaturen haben wie der Treibstoff. 3-Pentanon<br />
und Toluol sollen hier erwähnt werden, da sie schon oft zur<br />
Messung von Treibstoffkonzentrationen eingesetzt wurden [3].<br />
Toluol eignet sich zudem zur Temperaturmessung [4]. Die spektral<br />
getrennten Fluoreszenzsignale von Toluol und 3-Pentanon<br />
nach Anregung mit dem selben UV-Laser (Abb. 1) ermöglichen<br />
außerdem die Messung von Äquivalenzverhältnissen [5].<br />
Abb. 1: Fluoreszenzspektren<br />
von Toluol und<br />
3-Pentanon nach<br />
Anregung mit einem<br />
UV-Laser (266 nm)<br />
Zur Anwendung der oben genannten Methoden werden<br />
folgende mikro<strong>optische</strong> Systeme entwickelt:<br />
1. Ein bildgebendes Verfahren, bei dem Abbildungs- und Laser-<br />
Strahlführungsoptik miniaturisiert werden, so dass sie in<br />
Bohrungen mit Durchmessern von maximal 1 cm eingesetzt<br />
werden können.<br />
2. Ein fasergestütztes System zur Punktmessung in Zündfunkennähe.<br />
Die gesamte Optik ist hierbei in einen Zündkerzenkörper<br />
intgriert und funktioniert somit ganz ohne weitere<br />
Bohrungen im Motorblock. Beide Techniken ermöglichen<br />
erstmals, die zugrundeliegenden diagnostischen Verfahren<br />
in seriennahen Motoren einzusetzen.
1. Punktmessung nahe des Zündfunkens durch einen<br />
faser<strong>optische</strong>n Sensor [6, 7]<br />
Eine modifizierte Zündkerze dient als Sensor. Sie enthält zusätzlich<br />
zu der Zündfunktion <strong>optische</strong> Zugänge für Anregung der<br />
Tracer-Substanzen und die anschließende Sammlung des Fluoreszenzlichts.<br />
Durch gezielte Definition der Strahlbereiche kann<br />
ein Messvolumen optisch eingestellt werden. Es liegt in der<br />
Nähe des Zündfunkens und hat ein Volumen von ca. 2 mm3 .<br />
Die Optik im Sensorkopf ist speziell für die Verwendung von<br />
<strong>optische</strong>n Lichtleitern ausgelegt, wodurch eine einfache Handhabung<br />
des Sensors insbesondere im Hinblick auf Motorbewegungen<br />
möglich wird. Der schematische Messaufbau ist in<br />
Abb. 2 gezeigt. Abb. 3 zeigt einen Prototypen und seine Anwendung<br />
im Motor.<br />
Abb. 2: Messaufbau<br />
für den Fasersensor<br />
Aufgrund der thermischen Anforderungen für den Einsatz im<br />
Verbrennungsraum werden Saphirfenster verwendet, die in ein<br />
Titangehäuse druckdicht eingebaut sind. Diese gekrümmten<br />
Saphirfenster übernehmen zudem die Linsenfunktion der<br />
Sensoroptik.<br />
Abb. 3: Fasersensor Prototyp<br />
2. Zweidimensionale Messung von Verbrennungsparametern<br />
durch refraktivdiffraktive (hybride) Mikrooptiken:<br />
Für die Erfassung von Messgrößen innerhalb einer im Motor<br />
definierten Ebene werden speziell auf die spektralen Bereiche<br />
der ausgewählten Tracer-Substanzen zugeschnittene Mikroop-<br />
tiken mit einem kleinen Durchmesser entwickelt. Diese können<br />
in Bohrungen in der Motorwand eingesetzt werden. Das<br />
System besteht aus zwei Komponenten: Eine Optik wandelt<br />
den Gauß-Strahl des Anregungslasers in einen Lichtschnitt um<br />
und definiert hierdurch die Messebene. Die Verwendung von<br />
diffraktiven Komponenten erlaubt hier die Erzeugung eines vorteilhaften<br />
Flat-Top-Profils.<br />
Das ausgesandte Fluoreszenzlicht wird dann über eine Weitwinkel-Schlüssellochoptik<br />
auf eine verstärkte CCD-Kamera<br />
abgebildet. Da das Fluoreszenzlicht einen bestimmten Wellenlängenbereich<br />
umfasst, ist eine chromatische Korrektur der<br />
Abbildungsoptik nötig. Sie wird durch den Einsatz von diffraktiven<br />
Elementen realisiert. Diese haben eine negative Dispersion<br />
und können somit den refraktiven Linsen hinsichtlich der spektralen<br />
Variation der Brechkraft entgegenwirken. Außerdem wird<br />
ihre Phasenfunktion asphärisch<br />
ausgeführt, wodurch<br />
weitere Freiheitsgrade für die<br />
Korrektur von Bildfehlern<br />
(Aberrationen) genützt werden<br />
können. Auch für die<br />
Lichtstärke ergibt sich eine<br />
positive Auswirkung, weil die<br />
die gewünschte Auflösung<br />
mit weniger Elementen<br />
Abb. 4: Mikroinvasives<br />
erreicht werden kann.<br />
abbildendes Messverfahren<br />
Referenzen:<br />
[1] W. Koban, J. D. Koch, V. Sick, N. Wermuth, R. K. Hanson, and<br />
C. Schulz, "Predicting LIF signal strength for toluene and 3-pentanone<br />
under engine-related temperature and pressure conditions,"<br />
Proc. Combust. Inst. (2004).<br />
[2] W. Koban, J. D. Koch, R. K. Hanson, and C. Schulz, "Toluene LIF<br />
at elevated temperatures: implications for fuel-air ratio measure<br />
ments," Appl. Phys. B 80, 147-150 (2005).<br />
[3] J. Fischer, A. Velji, U. Spicher, F. Zimmermann, and C. Schulz,<br />
"Measurement of the equivalence ratio in the spark gap region of<br />
a gasoline direct injection engine with spark emission spectrosco<br />
py and tracer-LIF," SAE Technical Paper Series No. 2004-01-1916<br />
(2004).<br />
[4] W. Koban, M. Luong, and C. Schulz, "Temperature imaging based<br />
on toluene laser-induced fluorescence," Appl. Phys. B,<br />
in preparation (2005).<br />
[5] W. Koban, J. Schorr, and C. Schulz, "Oxygen distribution imaging<br />
with a novel two-tracer laser-induced fluorescence technique,"<br />
Appl. Phys. B 74, 111-114 (2002).<br />
[6] R. Reichle, C. Pruss, W. Osten, H. Tiziani, F. Zimmermann, and<br />
C. Schulz, "Microoptical sensor for integration in a functional<br />
spark plug for combustion analysis by UV-laser induced fluores<br />
cence spectroscopy," Proc. VDI 4th Conference on Optical<br />
Analysis Technology (2004).<br />
[7] R. Reichle, C. Pruss, W. Osten, H. J. Tiziani, F. Zimmermann, and<br />
C. Schulz, "Fiber optic spark plug sensor for UV-LIF measurements<br />
close to the ignition spark," Proceedings of SPIE - The International<br />
Society for Optical Engineering vol. 5856, 158-168 (2005).<br />
19
20<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2001]<br />
Projekt:<br />
Ausschreibung 2001: Design <strong>optische</strong>r Systeme<br />
Rigorose numerische Simulation in Optik-Design<br />
und hochauflösender Messtechnik<br />
Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart<br />
Aufgrund der Verbesserung der Abbildungsleistung moderner<br />
Objektive und der Integration innovativer Komponenten spielen<br />
elektromagnetische Effekte in <strong>optische</strong>n Systemen eine immer<br />
entscheidendere Rolle – auch um ihre Leistungsfähigkeit im<br />
physikalischen Grenzbereich voll auszuschöpfen. Für das Design<br />
und die Auslegung solcher Systeme sind daher skalare Rechnungen<br />
nicht mehr ausreichend, sodass rigorosen elektromagnetischen<br />
Rechnungen eine essentielle Bedeutung zukommt.<br />
Darüber hinaus muss der Einfluss elektromagnetischer Effekte<br />
auf die Leistungsfähigkeit <strong>optische</strong>r Systeme quantifiziert werden,<br />
um diese für ein präzises Design berücksichtigen zu können.<br />
Dies ist die Grundvoraussetzung für eine weitere Steigerung<br />
der Leistungsfähigkeit <strong>optische</strong>r Systeme im Grenzbereich<br />
des physikalischen Auflösungsvermögens. Vor diesem Hintergrund<br />
werden im Rahmen dieses Projektes drei wesentliche<br />
Ziele verfolgt:<br />
1) Schaffung und Vergleich von verschiedener Simulationsmethoden<br />
zur rigorosen numerischen Simulation.<br />
2) Kombination von hochauflösender Messtechnik mit<br />
rigoroser numerischer Simulation.<br />
3) Rekonstruktion von räumlichen Verteilungen der <strong>optische</strong>n<br />
Anisotropie (Index-Ellipsoid) transparenter Körper,<br />
um sie in Optik-Design und Simulation berücksichtigen<br />
zu können.<br />
In Tabelle 1 sind die implementierten Verfahren zur Berechnung<br />
der rigorosen Beugung einander gegenübergestellt und hinsichtlich<br />
verschiedener praxisrelevanter Kriterien verglichen.<br />
Die detaillierten Untersuchungen [1] zeigten, dass es notwendig<br />
ist, eine große Palette an verschiedenen Simulationsmethoden<br />
zur Verfügung zu haben, um ein möglichst breites Spektrum<br />
anwendungsrelevanter Objekte mit bestmöglicher Präzision<br />
simulieren zu können. Es kann so, je nach Fragestellung,<br />
das geeignete Rechenverfahren ausgewählt werden.<br />
Fernfeldanbindung<br />
Rechenzeit<br />
Numerischer Aufwand<br />
Periodische Strukturen<br />
Singuläre Strukturen<br />
Flexibilität (Strukturform)<br />
Zuverlässigkeit<br />
RCWA<br />
(Rigorous Coupled Wave Analysis)<br />
FDTD<br />
(Finite Difference Time Domain)<br />
FEM<br />
(Finite Elemente Methode)<br />
Streutheorie<br />
(Elektromagnetisch (Kugel, Zylinder))<br />
VKA<br />
(Vektorielle Kirchhoff Approximation)<br />
Detektor<br />
Tabelle 1: Gegenüberstellung<br />
von Verfahren zur Berechnung<br />
der rigorosen Beugung.<br />
Laser<br />
Strahlteiler<br />
Polarisationssteller<br />
Objekt<br />
(Gitter)<br />
Polarisationsanalysator<br />
Abb. 1: Aufbau eines<br />
Polarisationsdiffraktometers.<br />
Detektor
Die rigorosen Effekte an Strukturen mit Strukturgrößen im<br />
Bereich der Wellenlänge beeinflussen den Polarisationszustand<br />
des gebeugten Lichts. Dies wird mathematisch durch die<br />
Maxwell-Gleichungen beschrieben und kann mit den implementierten<br />
Simulationsmethoden numerisch berechnet werden.<br />
Zur Charakterisierung von beugenden Strukturen wie z.B.<br />
Diffraktiven Optischen Elementen [2] werden Diffraktometer<br />
eingesetzt. Diese messen die Beugungseffizienz verschiedener<br />
Beugungsordnungen. Durch Erweiterung eines solchen<br />
Diffraktometers mit polarisationsmessenden Komponenten<br />
können nun auch rigorose Effekte gemessen werden und in<br />
Kombination mit rigoroser numerischer Simulation zur<br />
Objektrekonstruktion herangezogen werden. Dadurch wird die<br />
numerische Objektrekonstruktion Teil des Messverfahrens.<br />
Bei <strong>optische</strong>n Systemen mit höchsten Qualitätsansprüchen<br />
führen bereits kleinste Inhomogenitäten der eingesetzten<br />
Medien zu einer Reduzierung der Abbildungsgüte und damit<br />
der erreichbaren Auflösung. Für DUV Lithographieobjektive ist<br />
dies bereits ein Ausschlusskriterium der nutzbaren Materialien<br />
gerade auch in Bezug auf Doppelbrechung. Um die räumliche<br />
Verteilung von <strong>optische</strong>n Anisotropien zu bestimmen, sind tensortomographische<br />
Rekonstruktionsmethoden entwickelt worden<br />
[3, 4]. Abb. 2 zeigt schematisch das tomographische Modell<br />
sowie die Zellenapproximation der räumlichen Verteilung der<br />
Brechungsindexellipsoide.<br />
#Strahlen:<br />
M = mxmxp<br />
Abb. 2:<br />
a) Modell des Glasblank und der<br />
tomographischen Messanordnung<br />
b) Zellenapproximation der räumlichen<br />
Verteilung von <strong>optische</strong>r<br />
Anisotropie.<br />
#Projektionsrichtungen: p<br />
#Zellen:<br />
N = nxnxn<br />
Welche Bedeutung die dreidimensional anisotrope Inhomogenitätsverteilung<br />
hat, kommt in Abb. 3 zur Geltung. Strahlen mit<br />
unterschiedlichen Neigungen durchlaufen das Glasblank. Sie<br />
werden von unterschiedlichen Bereichen beeinflusst und erfahren<br />
unterschiedliche Projektionen der zugehörigen Brechungsindexellipsoide.<br />
Abb. 3b zeigt Real- und Imaginärteil der Jones-<br />
Transfermatrizen für drei verschiedene Projektionsrichtungen.<br />
Wäre keine tensorielle Volumeninformation verfügbar, würde<br />
man fälschlicherweise davon ausgehen, dass alle drei Projektionen<br />
dasselbe anisotrope Verhalten zeigen.<br />
Referenzen:<br />
Abb. 3:<br />
a) Inhomogenität eines Elements des<br />
Brechungsindextensors durchstoßen<br />
von Strahlen mit unterschiedlichen<br />
Neigungswinkeln.<br />
b) Real- und Imaginärteil der Jones-<br />
Transfermatrix bei verschiedenen<br />
Neigungswinkeln.<br />
[1] Berger R., Kauffmann J., Kerwien N., Osten W., Tiziani H.J.,<br />
„Rigorose Beugungssimulation: Ein Vergleich zwischen RCWA,<br />
FDTD und der Finiten Elementen Methode“,<br />
Proceeding der DGaO 2004, Bad Kreuznach<br />
[2] C. Pruss, S. Reichelt, V. P. Korolkov, W. Osten, and H. J. Tiziani.<br />
"Performance improvement of CGHs for optical testing". In W.<br />
Osten, editor, Optical Measurement Systems for Industrial<br />
Inspection III, volume 5144 of Proceedings of SPIE, pages 460–<br />
471. SPIE–The International Society for Optical Engineering,<br />
2003.<br />
[3] J. Kauffmann, N. Kerwien, W. Osten, H.J. Tiziani;<br />
„Ein tomographisches Verfahren zur Rekonstruktion der volumenaufgelösten<br />
Verteilung des Brechungsindextensors“,<br />
Proceeding der DGaO 2004, Bad Kreuznach<br />
[4] J. Kauffmann, N. Kerwien, H.J. Tiziani, W. Osten;<br />
"3D anisotropy reconstruction: an iterative tensorial tomographic<br />
algorithm" Proceeding der ICO 2004, Tokyo<br />
21
22<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2001]<br />
Projekt:<br />
Scheibenlaser mit Halbleiterstrukturen<br />
Gut zehn Jahre nach der ersten Vorstellung des Scheibenlasers<br />
werden diese nun kommerziell mit Leistungen bis in den Multikilowatt-Bereich<br />
mit guter Strahlqualität und hervorragendem<br />
Wirkungsgrad angeboten. Das Lasermedium hat hier die Form<br />
einer sehr dünnen, rückseitig verspiegelten und gekühlten<br />
Scheibe. Thermisch induzierte Linsenbildung oder Doppelbrechung<br />
lassen sich so deutlich reduzieren; die Laserleistung (wie<br />
auch die Kühlleistung) ist einfach über die Fläche des gepumpten<br />
Bereichs (bei konstanter Pumpleistungsdichte) skalierbar.<br />
Dieses Prinzip ist auch auf Halbleiterstrukturen übertragbar.<br />
Das laseraktive Medium wird durch nur wenige Nanometer<br />
dicke Schichten, sogenannte Quantenfilme gebildet. Deren<br />
Emissionswellenlänge wird durch die Schichtdicke sowie die<br />
Größe der Bandlücke bestimmt und ist innerhalb gewisser<br />
Grenzen frei wählbar. Hinzu kommt, dass die hohe Güte des<br />
Scheibenlaser-Resonators eine äußerst effiziente resonatorinterne<br />
Frequenzverdopplung gestattet. Auf diese Weise wird der<br />
gesamte sichtbare und nahinfrarote Spektralbereich mit Halbleiter-Scheibenlasern<br />
zugänglich. Die höchsten bisher erreichten<br />
Leistungen sind 30 W bei 980 nm und 15 W bei 490 nm in<br />
einem nahezu beugungsbegrenzten Strahl.<br />
Absorption der Pumpstrahlung<br />
Das dünne aktive Material erleichtert nicht nur die Kühlung,<br />
sondern reduziert auch die Transparenz- und damit die Laserschwelle,<br />
erfordert aber besondere Maßnahmen zur Erhöhung<br />
der Absorption der Pumpstrahlung. Für den Festkörper-Scheibenlaser<br />
wurde dazu eine Pumpoptik entwickelt, die es gestattet,<br />
die nicht absorbierte Pumpstrahlung mehrmals auf die<br />
Scheibe abzubilden. Bei Halbleitern wurde bisher meist ein<br />
anderer Weg beschritten. Die an die Quantenfilme angrenzenden<br />
Schichten werden als Absorber für die höherenergetische<br />
Pumpstrahlung ausgebildet.<br />
Die Bandlücke und Dicke dieser Absorberschichten wird so<br />
groß gewählt, dass die Laserstrahlung ungehindert passieren<br />
kann, die Pumpstrahlung dagegen in einem einzigen Durch-<br />
Ausschreibung 2001: Neue Laserstrahlquellen<br />
Halbleiter-Scheibenlaser<br />
Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart<br />
Universität Ulm, Abteilung Optoelektronik<br />
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Institut für Technische Physik<br />
gang effektiv absorbiert wird. So elegant diese Methode auch<br />
ist, sie hat den Nachteil, dass die Energie der Pumpphotonen<br />
ca. 20 % größer sein muss, als die der Laserphotonen. Und diese<br />
Energiedifferenz wird in Wärme umgesetzt und muss abgeführt<br />
werden. Dies gelingt, wenn mit relativ kleinen Pumpspots<br />
gearbeitet wird, so dass die effektive dreidimensionale Wärmeleitung,<br />
evtl. unterstützt durch Diamantwärmespreizer, zur<br />
Kühlung genutzt werden kann.<br />
Pumpen in die Quantenfilme<br />
In dem Verbundprojekt „Halbleiter-Scheibenlaser“, welches<br />
von dem Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart<br />
(IFSW), dem Institut für Technische Physik des Deutschen<br />
Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Stuttgart und<br />
der Abteilung Optoelektronik der Universität Ulm bearbeitet<br />
wird, wird nun erstmals angestrebt, eine prinzipiell beliebige<br />
Leistungsskalierung über die Größe der Pumpfläche zu realisieren.<br />
Dazu muss jedoch die entstehende Wärme durch eine rein<br />
eindimensionale Wärmeleitung abgeführt werden können,<br />
ohne die Probentemperatur bei den erforderlichen Leistungsdichten<br />
zu stark zu erhöhen.<br />
Hierfür ist es hilfreich, die Wärmeerzeugung so weit wie möglich<br />
zu reduzieren, also möglichst nahe an der Laserwellenlänge<br />
direkt in die Quantenfilme zu pumpen. Ein einzelner Quantenfilm<br />
absorbiert jedoch nur 1 % der Pumpphotonen im Einfachdurchgang,<br />
bei höherer Ladungsträgerdichte sogar noch weniger.<br />
Allerdings kann die Absorption durch Verwendung mehrerer<br />
Quantenfilme erhöht werden, sofern die Pumpleistung, die<br />
zur Erzeugung der Transparenzdichte aufgewandt werden<br />
muss, nicht zu groß wird. Des weiteren kann die interne Kavität,<br />
die aus der (meist unbeschichteten) Vorderseite der Halbleiterscheibe<br />
und dem hinteren hochreflektierenden Spiegel gebildet<br />
wird, so ausgelegt werden, dass sich für die Pumpstrahlung ein<br />
resonant überhöhtes Stehwellenfeld ausbildet, in dessen Bäuchen<br />
die Quantenfilme positioniert werden können. Schließlich<br />
kann zusätzlich eine ein- oder mehrfache Rückabbildung der<br />
nicht absorbierten Pumpstrahlung vorgenommen werden.
Die genannten Maßnahmen zur Erhöhung der internen Absorption<br />
stellen allerdings hohe Anforderungen an die Präzision<br />
der Technologie. So müssen die Strukturen über die Länge der<br />
internen Kavität von typischerweise zehn Wellenlängen mit<br />
einer Genauigkeit von einem Zehntel der Wellenlänge, also<br />
30 nm oder 1 %, gewachsen bzw. geätzt werden und auch die<br />
Dicke und Zusammensetzung der Quantenfilme darf nur<br />
wenige Prozent vom Sollwert abweichen.<br />
Die theoretische Beschreibung des Scheibenlasers erfolgte<br />
am IFSW, basierend auf der mikroskopischen Modellierung der<br />
Quantenfilmstruktur durch das DLR. Die hochpräzisen Halbleiterstrukturen<br />
wurden an der Universität Ulm mittels MBE<br />
gewachsen und montiert und im Anschluss am IFSW bezüglich<br />
ihrer <strong>optische</strong>n, elektrischen und thermischen Eigenschaften<br />
charakterisiert.<br />
Experimentelle Ergebnisse<br />
Mit einem Ti:Saphir-Laser wurden unter weitestgehend gleichen<br />
Bedingungen Laserexperimente mit Absorber- und<br />
Quantenfilmpumpen durchgeführt, um die Ergebnisse direkt<br />
vergleichen zu können. Die Laserkennlinien sind – bezogen auf<br />
die absorbierten Pumpphotonen – identisch, d. h. es treten<br />
beim Absorberpumpen keine nennenswerten Verluste durch<br />
den Energietransfer in die Quantenfilme auf; bezogen auf die<br />
Leistungen hat das Quantenfilm-Pumpen einen leichten Vorteil<br />
(Abb. 1).<br />
Laserausgangsleistung (mW)<br />
Absorbierte Pumpleistung (mW)<br />
Abb. 1: Vergleich des Laserverhaltens<br />
bei Absorber-Pumpen (blau)<br />
und Quantenfilm-Pumpen (rot).<br />
Auch die Kühlung ist in beiden Fällen hinreichend effektiv.<br />
Schaut man sich jedoch die Temperatureffekte anhand der<br />
Resonanzlinien im Photolumineszenzspektrum während des<br />
Laserbetriebs an, so ergibt sich eine Linienverschiebung pro<br />
Watt absorbierter Pumpleistung von 1,13 nm beim Absorber-<br />
Pumpen gegenüber 0,39 nm beim Quantenfilm-Pumpen, entsprechend<br />
einer Temperaturerhöhung von 17 K/W gegenüber<br />
6 K/W (Abb. 2). Die thermische Belastung ist mithin beim<br />
Absorber-Pumpen um den Faktor 3 größer. Falls nur der Quantendefekt<br />
als Wärmequelle auftreten würde, ergäbe sich ein<br />
Verhältnis 4,3 : 1. Das heißt, der Hauptteil der thermischen Last<br />
resultiert aus dem Quantendefekt, und dieser kann durch<br />
Quantenfilm-Pumpen drastisch reduziert werden.<br />
Lage der Resonanz (nm)<br />
Absorbierte Pumpleistung (mW)<br />
Abb. 2: Verschiebung der Lage einer<br />
Resonanzlinie im Fluoreszenzspektrum<br />
als Funktion der absorbierten<br />
Pumpleistung im Laserbetrieb.<br />
Vergleich Absorber-gepumpt (blau)<br />
und Quantenfilm-gepumpt (rot).<br />
Zusammenfassung und Ausblick<br />
Messungen haben gezeigt, dass durch direktes Pumpen in die<br />
Quantenfilme ohne Umweg über spezielle Absorberschichten<br />
der Wärmeeintrag um den Faktor 3 reduziert werden kann.<br />
Bei ersten vergleichenden Messungen mit diodengepumpten<br />
Strukturen hat sich gezeigt, dass dadurch das thermische Überrollen<br />
später einsetzt, und so mit Quantenfilm-Pumpen eine<br />
mehr als 50 % höhere Laserleistung erzielt werden konnte als<br />
mit Absorber-Pumpen. Um eine dem Absorber-Pumpen vergleichbare<br />
Absorptionseffizienz zu erzielen, muss jedoch eine<br />
genaue Abstimmung der Halbleiterstruktur auf die Pumpstrahlung<br />
erfolgen und gegebenenfalls eine mehrfache Rückabbildung<br />
der Pumpstrahlung vorgesehen werden. Der reduzierte<br />
Wärmeeintrag bietet die Chance, von der dreidimensionalen<br />
Wärmeleitung auf die weniger effektive eindimensionale<br />
Wärmeleitung überzugehen, die dann eine freie Leistungsskalierbarkeit<br />
über die Fläche gestatten sollte. Dann sollte es möglich<br />
sein, mit Halbleiterstrukturen in Leistungsbereiche vorzustoßen,<br />
die bislang den Festkörperlasern vorbehalten sind, dies<br />
aber mit dem Vorteil einer wesentlich größeren Flexibilität in<br />
der Laserwellenlänge.<br />
23
24<br />
Wissenschaft & Forschung
ausschreibung 2002<br />
25
26<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2002]<br />
Projekt:<br />
Ausschreibung 2002: Aktive Optik<br />
Aktive Mikro-Manipulation<br />
Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart<br />
Bereits in den 70er Jahren konnte nachgewiesen werden, dass<br />
es möglich ist, Teilchen von einigen Mikrometern Durchmesser<br />
im Brennpunkt eines starken Laserstrahls zu fangen und gegen<br />
die Erdanziehungskraft zu bewegen [Ashkin]. Diese als „<strong>optische</strong><br />
Pinzetten“ bezeichneten Systeme erlauben eine schonende,<br />
kontaktlose Manipulation von biologischen und nichtbiologischen<br />
Objekten. Solche <strong>optische</strong>n Pinzetten sind seit über<br />
10 Jahren in den Labors im Einsatz.<br />
Die Wirkung der <strong>optische</strong>n Pinzette beruht auf der sog. Gradientenkraft.<br />
Tritt ein Lichtstrahl in ein Objekt ein (Abb. 1), so wird<br />
der Strahl abgelenkt. Beim Richtungswechsel des Strahls wird<br />
ein Impuls auf das Objekt übertragen. Die Summe der Impulsänderungen<br />
bewirkt eine Kraft, die für Objekte mit höherem<br />
Brechungsindex als das umgebende Medium in Richtung der<br />
höchsten Intensität wirkt. Das Objekt wird somit zum Ort<br />
höchster Intensität gezogen. Wird der Lichtstrahl stark fokussiert,<br />
so wird ein hoher Intensitätsgradient in z-Richtung<br />
erzeugt. Dies ermöglicht das Fangen in drei Dimensionen.<br />
Gradientenprofil<br />
Impulsänderung<br />
Impulsänderung<br />
Abb. 1: Strahlen<strong>optische</strong> Darstellung<br />
der Gradientenkraft.<br />
Der Einsatz diffraktiver Optik in einer <strong>optische</strong>n Pinzette erlaubt<br />
das Erzeugen einer nahezu beliebigen Anzahl von Fallen unterschiedlichster<br />
Formen. Wird als diffraktives Element ein räumlicher<br />
Lichtmodulator (SLM, spatial light modulator) verwendet,<br />
so lassen sich durch Einschreiben dynamischer Hologramme<br />
eine unabhängige Bewegung mehrerer Fallen in drei Dimensionen<br />
und die dynamische Veränderung der Lichtfelder verwirklichen.<br />
Ein solches als „holografische Pinzette“ bezeichnetes<br />
System stellt somit eine erhebliche funktionale Erweiterung<br />
bisher im Einsatz befindlicher Systeme dar, welche überwiegend<br />
nur eine Bewegung einzelner Zellen relativ zur gesamten<br />
Probenkammer gestatten.<br />
Ziel dieses vom Institut für Technische Optik (ITO) der Universität<br />
Stuttgart bearbeiteten Projekts „Aktive Mikro-Manipulation“<br />
ist es, ein kombiniertes, flexibles Werkzeug aus holografischer<br />
Pinzette und Mikroskalpell zu entwickeln, das den neuen Anforderungen<br />
von Mikrobiologie und Biomedizin gerecht wird. Der<br />
Operateur wird mit einem solchen System erstmals in der Lage<br />
sein, die Einfang- und Bearbeitungslichtfelder flexibel an die<br />
Aufgabenstellung anzupassen. Weiterhin soll der Lichtmodulator<br />
auch dazu benutzt werden, Aberrationen, welche durch die<br />
Probe selbst entstehen und damit die Qualität der Bearbeitung<br />
und Manipulation einschränken, zu korrigieren. Dieses holografische<br />
Kombinationswerkzeug bietet somit ein Maximum an<br />
Flexibilität und Präzision bei einem Minimum an apparativer<br />
Komplexität und eröffnet neue Perspektiven der Automatisierung.<br />
Die Anschaffungskosten werden zudem deutlich günstiger<br />
ausfallen, als bei vergleichbaren mechanischen Systemen.<br />
SLM Polfilter<br />
Abb. 2: Schematischer Aufbau der<br />
holografischen Pinzette.<br />
Kamera<br />
Strahlteiler<br />
Mikroskop-<br />
Objektiv<br />
Objektebene
Abb. 1 zeigt den schematischen Aufbau der holografischen<br />
Pinzette, wie er in einer ersten Projektphase entwickelt wurde.<br />
Der Lichtmodulator wird mit einem kollimierten Laserstrahl<br />
beleuchtet und liegt in einer zur hinteren Brennebene des<br />
Mikroskopobjektivs konjugierten Ebene. Das vom Modulator<br />
reflektierte Licht wird durch das Mikroskopobjektiv in das gewünschte<br />
Lichtfeld transformiert. Auf diese<br />
Weise lassen sich Zellen in beliebiger Weise<br />
anordnen, wie Abb. 3 zeigt.<br />
Abb. 3: Anordnung von<br />
Polystyrenkugeln im Dreieck mit Hilfe<br />
der holografischen Pinzette.<br />
Die biologischen Proben sind üblicherweise inhomogen, so<br />
dass der Brechungsindex innerhalb der Proben sowohl zeitlich<br />
als auch örtlich variiert. Neben den statischen Abbildungsfehlern<br />
des Systems werden hierdurch dynamische Abberationen<br />
eingeführt, die sowohl die Fangkraft als auch die Schnitteffizienz<br />
vermindern. Durch Änderung des in das SLM eingeschriebenen<br />
computergenerierten Hologramms können diese Aberrationen<br />
sowohl für die abzubildenden Objekte, als auch für die<br />
holografische Pinzette und das noch zu entwickelnde Laserskalpell<br />
ausgeglichen werden.<br />
Um die Aberrationen ausgleichen zu können, müssen sie<br />
zunächst bestimmt werden. Innerhalb des Projektes wurden<br />
zwei verschiedene Methoden erprobt:<br />
1) Ein Mikrokügelchen wird mit der holografischen<br />
Pinzette gefangen und in die Region geschoben, von der<br />
die Aberrationen ermittelt werden sollen. Dieses Mikrokügelchen<br />
sendet näherungsweise eine Kugelwelle aus. Die<br />
Welle durchläuft die Probe sowie das <strong>optische</strong> System<br />
und wird aberriert. Die Abweichungen von der sphärischen<br />
Wellenfront werden mit einem Shack-Hartmann<br />
Wellenfrontsensor erfasst und anhand der Messergebnisse<br />
korrigiert.<br />
2) Bei der zweiten Methode handelt es sich um eine<br />
iterative Korrektur der Aberrationen. Hierzu wird ein Spot<br />
mittels einer Kamera beobachtet und das Hologramm<br />
schrittweise mit Hilfe von Zernike-Polynomen geändert.<br />
Aus der Stärke der Korrektur kann auf die Ausprägung<br />
der Aberrationen rückgeschlossen werden.<br />
Mit beiden Methoden konnte im Rahmen des Projektes die<br />
Aberrationen des Systems erfolgreich korrigiert werden. Abb. 4a<br />
zeigt im oberen Bereich eine korrigierte Lichtfalle. In der übersteuerten<br />
Aufnahme ist das sich ergebende Airy-Muster deutlich<br />
sichtbar. Wird der Abbildungsstrahlengang ebenfalls über<br />
den Lichtmodulator gelenkt, so können auch die Aberrationen<br />
eines abgebildeten Objektes korrigiert werden (Abb. 4b).<br />
Neben der Möglichkeit, die Pinzette mit Hilfe eines Modulators<br />
flexibel beeinflussen zu können, ist in der zweiten Projektphase<br />
der Aufbau eines holografischen Mikroskalpells geplant. Hierfür<br />
soll ein Pulslaser mit einem UV-tauglichen Lichtmodulator<br />
kombiniert werden. Durch den holografischen Ansatz soll die<br />
Flexibilität und Genauigkeit des Skalpells gesteigert werden.<br />
So können komplexe, aberrationskorrigierte Schnittfelder generiert<br />
werden, um Zellfusion oder Zelltrennungen zu induzieren.<br />
Auch eine Bearbeitung von Mikrosystemkomponenten ist mit<br />
einem solchen System denkbar.<br />
Die Kombination von Mikroskalpell und Pinzette ergibt ein<br />
Multifunktionswerkzeug, das weitreichende Möglichkeiten in<br />
der Mikro- und Nanotechnik eröffnet. Objekte können nicht nur<br />
bewegt, sondern gleichzeitig bearbeitet werden. So lassen sich<br />
aktiv Mikroreaktionen- und Mikrofabrikationen beeinflussen.<br />
Im Vergleich zu bisherigen Lösungen, die auf einem mechanischen<br />
Scan eines Laserstrahls basieren, ergibt sich auch hier –<br />
wie beim Einfang – der große Vorteil, dass mit hoher Genauigkeit<br />
und Reproduzierbarkeit komplexe Schnitte in drei Dimensionen<br />
realisierbar werden.<br />
Referenzen:<br />
Abb. 4a: Korrigierte 1. (oben) und<br />
unkorrigierte 0. Ordnung (unten) einer<br />
Laserfalle.<br />
Abb. 4b: Korrigierte 1. (oben) und<br />
unkorrigierte 0. Ordnung (unten) eines<br />
3µm großen Objektes.<br />
[1] Ashkin, A.; Dziedzic, J.M.; Bjorkholm, J.E. and Chu, S.,<br />
"Observation of a single-beam gradient force optical trap for<br />
dielectric particles",Optics Letters, 1986 , 11 , 288-90.<br />
[2] Reicherter, R.; Haist, T.; Wagemann, E.U. and Tiziani, HJ, "Optical<br />
particle trapping with computer-generated holograms written on a<br />
liquid-crystal display" Optics Letters, 1999 , 24 , 608-610.<br />
[3] Liesener, J.; Reicherter, M.; Haist, T. and Tiziani, H., "Multifunctional<br />
optical tweezers using computer-generated holograms",<br />
Optics Communications, 2000, 185, 77-82.<br />
[4] Reicherter, M.; Gorski, W.; Haist, T. and Osten, W., "Dynamic<br />
correction of aberrations in microscopic imaging systems using<br />
an artificial point source ", SPIE, 2004 , 5462 , 68-78.<br />
27
28<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2002]<br />
Projekt:<br />
Ausschreibung 2002: Aktive Optik<br />
Adaptive <strong>optische</strong> Komponenten stellen aufgrund ihrer zahlreichen<br />
Einsatzmöglichkeiten gegenwärtig ein besonders aktives<br />
Teilgebiet in der angewandten Optikforschung dar.So könnten<br />
beispielsweise Zoom-Objektive künftig nicht mehr mit mechanisch<br />
bewegten Linsengruppen, sondern mit variablen Einzellinsen<br />
aufgebaut werden, die eine dynamisch steuerbare<br />
Brennweite aufweisen.Dies wäre etwa für die Endoskopie, bei<br />
der die kleinen Abmessungen den Einsatz mechanisch bewegter<br />
Linsengruppen nahezu unmöglich machen, von großem<br />
Interesse.Eine weitere Anwendungsmöglichkeit solcher Linsen<br />
könnte z.B. die Einkopplung von Licht in <strong>optische</strong> Fasern sein,<br />
um so die Koppeleffizienz durch die Brennweite der Linse zu<br />
steuern.<br />
In den letzten Jahren wurde unter anderem der Ansatz verfolgt,<br />
den Effekt der Elektrokapillarität für solche adaptive Linsen auszunützen.Dabei<br />
handelt es sich um folgenden physikalischen<br />
Zusammenhang: Im thermodynamischen Gleichgewicht besitzen<br />
kleine, auf einer festen Unterlage ruhende Flüssigkeitstropfen<br />
die Form einer Kugelkappe und stellen damit vom <strong>optische</strong>n<br />
Gesichtspunkt eine plankonvexe Linse dar.Werden elektrische<br />
Ladungen an die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Unterlage<br />
gebracht, verändert sich die zugehörige Grenzflächenenergie<br />
und damit die Benetzung der Unterlage durch den Tropfen.<br />
Demzufolge dehnt sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung<br />
der Tropfen aus oder zieht sich zusammen.Optisch gesehen<br />
bedeutet dies eine Änderung des Krümmungsradius' der<br />
Tropfenoberfläche, wodurch sich die Brennweite der flüssigen<br />
Linse steuern lässt.Durchstimmbare Mikrolinsen auf der Basis<br />
von Elektrokapillarität wurden bereits vorgestellt.Diese Systeme<br />
besitzen eine Apertur von mehreren Millimetern und sind<br />
für den Einsatz in Mobiltelefon-Kameras vorgesehen.<br />
Im Projekt „Elektrisch gesteuerte Benetzung für adaptive<br />
Mikrolinsen“ hat nun der Lehrstuhl für Mikrooptik am Institut<br />
für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg ein neues<br />
System entworfen (Abb.1), welches sich von den bisherigen<br />
Systemen durch seine erheblich reduzierten Abmessungen<br />
Elektrisch gesteuerte Benetzung für adaptive<br />
Mikrolinsen<br />
Institut für Mikrosystemtechnik der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg<br />
Abb. 1: Labormuster eines elektrisch<br />
steuerbaren Mikrolinsensystems. Die<br />
flüssige Linse befindet sich unter dem<br />
Glasfenster. Die Außenabmessungen<br />
(hier: Kantenlänge 8 mm) können<br />
noch erheblich verringert werden.<br />
und den Einsatz der Halbleiter-Prozesstechnologie unterscheidet.Die<br />
Vorteile dieses Ansatzes liegen einerseits in der Möglichkeit,<br />
das System aufgrund seiner geringen Größe in der<br />
Endoskopie einzusetzen, und andererseits – bedingt durch die<br />
Halbleiter-Standardprozesse – auch große Stückzahlen kostengünstig<br />
herstellen zu können.<br />
Zentrales Strukturelement des Systems ist ein Rezess, der in<br />
ein kristallines Material geätzt wird.Dieser nimmt die flüssige<br />
Linse auf und stabilisiert diese, so dass das System in jeder<br />
Einbaulage verwendet werden kann.Gleichzeitig definiert der<br />
Rezess die Apertur der Linse, die je nach Design 300 – 1000 µm<br />
beträgt.Das kristalline Grundmaterial ist mit verschiedenen<br />
funktionalen Schichten belegt.Diese isolieren den Tropfen elektrisch<br />
von der Gegenelektrode und sorgen durch ihre chemischen<br />
Oberflächeneigenschaften dafür, dass der Tropfen einen<br />
hohen Anfangskontaktwinkel (d.h. ohne angelegte Spannung)
aufweist. Dies ist Voraussetzung für einen großen dynamisch<br />
zugänglichen Brennweitenbereich des Systems. Die flüssige<br />
Linse ist von einer zweiten Flüssigkeit umgeben, welche<br />
Oberflächenschwingungen, wie sie durch Erschütterungen entstehen,<br />
effizient dämpft. Wie anhand von hydrodynamischen<br />
Simulationen gezeigt werden konnte, klingen die Oberflächenschwingungen<br />
mit einer Zeitkonstante von unter 1 ms ab.<br />
Die gesamte Struktur wird beidseitig durch ein Glasfenster<br />
gekapselt.<br />
Die Schnittweiten der gefertigten Systeme, gemessen vom<br />
Glasfenster zum Brennpunkt, können in einem Bereich von 2 –<br />
20 mm gesteuert werden. Dazu sind Spannungen von lediglich<br />
0 – 25 V erforderlich (Abb. 2) bei einer geringen Leistungsaufnahme<br />
von nur 1,5 mW.<br />
Schnittweite [µm]<br />
Abb. 2: Typische Schnittweite-<br />
Spannungs-Kennlinie eines elektrisch<br />
steuerbaren Mikrolinsensystems wie in<br />
Abb. 1 gezeigt.<br />
Spannung U [µm]<br />
Das Projekt wurde im Februar 2005 abgeschlossen. Die erarbeiteten<br />
Verfahren und gewonnenen Erfahrungen fließen in das<br />
neue Projekt „Adaptive Linsenarrays mit variablem Abstand“<br />
ein, bei dem mittels der Elektrokapillarität nicht nur die Brennweite<br />
von Mikrolinsen in einem Array, sondern auch deren<br />
Abstand zueinander gesteuert werden soll.<br />
29
30<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2002]<br />
Projekt:<br />
Ausschreibung 2002: Aktive Optik<br />
Erzeugung und Adaptation dynamischer<br />
kohärenter Masken für den aktiven <strong>optische</strong>n<br />
Form- und Verformungsvergleich<br />
Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart<br />
In der Industrie besteht ein großer Bedarf an Messsystemen<br />
zum Vergleich und zur Kontrolle technischer Objekte mit rauhen<br />
Oberflächen.Die klassische Interferometrie erlaubt nur die<br />
Untersuchung von glatten Oberflächen.Aus diesem Grund<br />
wird ein neues holografisches Verfahren zum Vergleich der<br />
Form oder Verformung zweier nominell identischer, aber physisch<br />
unterschiedlicher Objekte mit rauhen Oberflächen entwickelt<br />
und implementiert (Muster-Probe-Vergleich) [1].<br />
Die Holografie ermöglicht die Speicherung der vollständigen<br />
Information einer Wellenfront, d.h. Amplitude und Phase, auf<br />
einem zweidimensionalen Speicher (Fotoplatte oder CCD-<br />
Kamera).Daher kann mittels holografischer Rekonstruktion die<br />
3D-Information des Objektes wiedergegeben werden – im<br />
Unterschied zur Fotografie, bei der nur die 2D-Information<br />
rekonstruiert wird.<br />
Auf diese Weise lassen sich Inspektionsergebnisse und<br />
Qualitätsaussagen in Prozessechtzeit auch an komplexen<br />
Prüfobjekten und über große Entfernungen erzielen.Bei letztgenanntem<br />
Verfahren – der sog.Remote Metrology – macht<br />
man sich die Möglichkeit zunutze, digitale Hologramme per<br />
Datennetzwerk (z.B. Internet) an beliebige Orte zu versenden,<br />
um diese digital oder analog rekonstruieren zu können [2].<br />
Das Projekt „Erzeugung und Adaptation dynamischer kohärenter<br />
Masken für den aktiven <strong>optische</strong>n Form- und Verformungsvergleich“<br />
am Institut für Technische Optik der Universität<br />
Stuttgart konzentriert sich auf die Implementierung und Erprobung<br />
des Verfahrens unter besonderer Berücksichtigung der<br />
aktiven Kompensation möglicher Justagefehler durch einen<br />
rückgekoppelten Regelkreis.Dabei gelangen moderne räumli-<br />
Durch die Kombination der<br />
Prinzipien der Digitalen Holografie<br />
und der Vergleichenden<br />
Musterobjekt<br />
Beleuchtung<br />
Referenz<br />
Holografie (VDH) entsteht mit<br />
Test-<br />
der Vergleichenden Digitalen<br />
Holografie ein flexibles Prüf-<br />
Referenz<br />
objektverfahren,<br />
bei dem die gleich-<br />
a) Aufnahme des Hologramms<br />
b) Aufnahme des Vergleich-Hologramms<br />
zeitige physische Präsenz des<br />
des Musterobjekts<br />
Musters und der Probe eines<br />
Abb. 1: Prinzipdarstellung der<br />
Objekts mit technischer Ober-<br />
Vergleichenden Digitalen Holografie<br />
fläche am Ort des Vergleichs nicht erforderlich ist.Die Vergleiche Lichtmodulatoren und Prinzipien der Wellenfrontrekonchende<br />
Digitale Holografie macht sich bewusst die Technologie<br />
hochauflösender Bildsensoren (CCD-Kameras) und moderner<br />
struktion zur Anwendung.<br />
räumlicher Lichtmodulatoren (LCD, LCOS) zunutze.Indem das Abb.2 zeigt ein beispielhaftes Ergebnis eines Verformungsver-<br />
zuvor aufgezeichnete digitale Hologramm des Musterobjekts in gleichs.Muster- und Testobjekt sind zwei unterschiedliche<br />
einen geeigneten Lichtmodulator geschrieben wird, ergibt sich Kunststoffplatten.Das Testobjekt weist gegenüber dem Mus-<br />
die Möglichkeit, die Wellenfront (Lichtwelle) zu rekonstruieren, terobjekt drei kreisförmige Defekte auf.Mit einem speziellen<br />
um damit das Testobjekt kohärent zu beleuchten.Die<br />
Halter lässt sich die Kunststoffplatte kontrolliert verformen.Im<br />
Interferenzphase des schließlich rekonstruierten digitalen vorliegenden Experiment beträgt die Verformung 5 µm.Es wird<br />
Hologramms des Testobjekts verkörpert lediglich die Form- ein Hologramm des Musterobjekts im ungestörten sowie im<br />
bzw.Verformungsdifferenz zwischen Muster- und Testobjekt. verformten Zustand auf (Abb.1a) aufgenommen.Die Abb.1b)
Abb. 2: Verformungsdifferenz<br />
zwischen zwei Kunststoffplatten.<br />
Das Testobjekt weist gegenüber<br />
dem Musterobjekt drei kreisförmige<br />
Defekte auf.<br />
zeigt die Beleuchtung des Testobjekts im ungestörten Zustand<br />
mit der konjugierten rekonstruierten Wellenfront des Musterobjekts<br />
im ungestörten Zustand. Die gleiche Prozedur wird für<br />
die verformten Zustanden durchgeführt. Aus den zwei aufgenommenen<br />
Hologrammen, ergibt sich der Verformungsvergleich<br />
zwischen dem Muster- und dem Testobjekt (Abb. 2).<br />
Die drei Defekte des Testobjekts auf einem Streifenhintergrund<br />
sind klar sichtbar. Die Streifen im Hintergrund haben zwei<br />
Ursachen: Erstens eine ungewollte Abweichung zwischen der<br />
rekonstruierten Wellenfront des Muster- und Testobjekts welche<br />
durch eine Phasenschiebung, die in das LCD geschrieben<br />
wird, kompensiert werden kann und zweitens eine grundsätzliche<br />
Formabweichung zwischen Muster und Testobjekten.<br />
Im Vergleich zu anderen Messverfahren bietet die VDH Technik<br />
folgende Vorteile: Die interferometrische Auflösung zum<br />
Vergleich der Form oder Verformung zweier nominell identischer,<br />
aber physisch unterschiedlicher Objekte mit rauhen<br />
Oberflächen. Des Weiteren kann das Musterhologramm über<br />
das Internet an beliebigen Ort rekonstruiert werden.<br />
Referenzen:<br />
[1] Osten, W., Baumbach, T., Jüptner, W.,<br />
"Comparative digital holography",<br />
Optics Letters 27 (2002), pp. 1764-1766.<br />
[2] Osten, W., Baumbach, T., Seebacher, S., Jüptner, W.,<br />
"Remote shape control by comparative digital holography",<br />
Proc. Fringe (2001), Elsevier Science, pp. 373-382.<br />
31
32<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2002]<br />
Projekt:<br />
Ausschreibung 2002: Aktive Optik<br />
Mit zunehmender Komplexität moderner <strong>optische</strong>r Systeme<br />
wachsen die Anforderungen an die Funktionalität der verwendeten<br />
<strong>optische</strong>n Komponenten bei gleichzeitiger Forderung<br />
nach hoher <strong>optische</strong>r Qualität und Genauigkeit, geringen<br />
Herstellungskosten und der Verfügbarkeit in großen Stückzahlen.<br />
Ein aussichtsreicher Weg für die Produktion von solchen<br />
<strong>optische</strong>n Komponenten aus anorganischen Gläsern ist die<br />
Replikation durch Heißformgebungsverfahren. Mit dem bekannten<br />
Präzisions-Blankpressverfahren (finished lens molding)<br />
können zwar die geforderten Genauigkeiten erreicht werden,<br />
die hierbei benötigten langen Zykluszeiten von bis zu 10 Minuten<br />
stehen aber den Forderungen nach geringen Herstellungskosten<br />
und der Produktion von großen Stückzahlen entgegen.<br />
Mit der Entwicklung einer neuen, schnellen Heißprägetechnologie<br />
mit Zykluszeiten von weniger als 1 Minute können diese<br />
Schwierigkeiten für eine kostengünstige Fabrikation von mikro<strong>optische</strong>n<br />
Bauteilen überwunden werden. Ziel des vom Fraunhofer<br />
IWM und vom IMTEK durchgeführten Verbundforschungsvorhabens<br />
ist die Untersuchung wichtiger Prozessgrößen beim<br />
schnellen Heißprägen von innovativen mikro<strong>optische</strong>n Bauelementen,<br />
wie z.B. asphärische Linsen, Mikrolinsenarrays und<br />
Zylinderlinsen, sowie die Entwicklung einer praxistauglichen<br />
Messtechnik zur <strong>optische</strong>n Charakterisierung der mit dem Verfahren<br />
hergestellten Komponenten.<br />
Die am Forschungsvorhaben beteiligten Institute ergänzen sich<br />
in ihren jeweiligen Kompetenzen, der Verfahrensentwicklung<br />
zur Herstellung <strong>optische</strong>r Komponenten aus anorganischen<br />
Gläsern durch zähplastische Formgebung sowie dem Design<br />
und der Charakterisierung mikro<strong>optische</strong>r Elemente und Systeme,<br />
wobei die schnelle Rückkopplung der Messergebnisse für<br />
die Prozessentwicklung sehr wichtig ist.<br />
Wesentliches Merkmal des untersuchten Heißprägeverfahrens<br />
ist, dass das Glas in einem sehr stark nicht-isothermen Umformprozess<br />
zu Bauteilen hoher Genauigkeit ausgeformt wird. Auf<br />
Grund der sehr niedrigen Glasviskosität im Vergleich zu kon-<br />
Grundlegende Untersuchungen zur Herstellung<br />
hochpräziser Komponenten durch schnelles Heißprägen<br />
anorganischer Gläser für Anwendungen in<br />
<strong>optische</strong>n Übertragungs<strong>technologien</strong> und Systemen<br />
der aktiven Optik<br />
Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg<br />
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM)<br />
ventionellen Replikationsverfahren kann der gesamte Formgebungsprozess<br />
in weniger als 30 Sekunden abgeschlossen werden.<br />
Die sehr schnelle Abkühlung des zähflüssigen Glases hat<br />
eine signifikante Formänderung durch Schrumpfung und thermisch<br />
induzierte Spannungen zur Folge. Um die geforderte<br />
Präzision der <strong>optische</strong>n Komponenten zu erreichen, ist die<br />
Kenntnis der Wirkung von Prozessparametern und schließlich<br />
deren sehr genaue Steuerung während des Formgebungsprozesses<br />
deshalb zwingend notwendig. Dazu wird in diesem<br />
Vorhaben der Einfluss von wesentlichen Prozessgrößen, der<br />
zeitlichen Verläufe von Temperaturen, Stellwegen und Presskräften<br />
auf Geometrie- und Konturgenauigkeit und Oberflächenqualität<br />
anhand ausgewählter Demonstratorkomponenten,<br />
Mikrolinsen mit sphärischer und asphärischer Kontur<br />
sowie Mikrolinsenarrays systematisch untersucht.<br />
Nach den bisherigen Ergebnissen lässt sich der Formgebungsvorgang<br />
in zwei Phasen unterteilen: In der ersten Pressphase<br />
stellt sich die resultierende Geometrie und Oberflächengüte<br />
der geprägten Komponente ein, während der anschließenden<br />
Abkühlphase können Feinkontur, Radien und Verzug noch<br />
beeinflusst werden. Als maßgebliche Einflussgrößen in der<br />
ersten Pressphase, in der Umformung und Wärmeentzug über<br />
die Formwerkzeuge sehr schnell ablaufende konkurrierende<br />
Prozesse sind, wurden Stellweg, Umformgeschwindigkeit und<br />
die Glastemperatur zum Zeitpunkt des Kontakts mit den<br />
Formwerkzeugen identifiziert. In der kraftgeregelten Abkühlphase<br />
wird dem Glas die Restwärme entzogen, bevor sich die<br />
Formwerkzeuge öffnen und das fertige Bauteil entformt wird.<br />
Maßgeblich beeinflusst werden Bauteilverzug und Feinkontur<br />
durch die Temperaturverteilung in den Formwerkzeugen und<br />
im Glaspressling sowie der Haltekraft und der Schließzeit der<br />
Werkzeuge.<br />
Zur Vermessung der heißgeprägten Bauteile wurde in diesem<br />
Projekt ein neuartiges Interferometerkonzept konzipiert und<br />
entwickelt. Das Messsystem besteht aus einem hybriden<br />
Twyman-Green / Mach-Zehnder Interferometer, dessen jeweiliger<br />
Strahlengang durch einen schwenkbaren Spiegel bestimmt
wird. Durch den einfachen Wechsel zwischen den beiden Interferometerschaltungen<br />
wird es möglich, mikro<strong>optische</strong> Komponenten<br />
wie Mikrolinsen sowohl im Auflicht (Interferometer im<br />
Twyman-Green Modus) als auch im Durchlicht (Interferometer<br />
im Mach-Zehnder Modus) zu vermessen. In den Auflichtmessungen<br />
werden Konturabweichungen der einzelnen <strong>optische</strong>n<br />
Wirkflächen hochgenau bestimmt. In den Durchlichtmessungen<br />
werden die Abbildungseigenschaften der Messobjekte charakterisiert,<br />
die sowohl von den Flächenkonturen als auch von<br />
potenziellen Fehlern wie Brechungsindexinhomogenitäten,<br />
Substratpassfehler, Zentrier- bzw. Keilfehler bestimmt werden.<br />
Neben der interferometrischen Charakterisierung der Wellenaberrationen<br />
der Mikrolinsen ermöglicht<br />
das System auch die Messung von Krümmungsradius,<br />
Brennweite, Pfeilhöhe und<br />
Substratdicke. Alleinstellungsmerkmal des<br />
neu entwickelten Messsystems ist, dass<br />
beide Messungen (Kontur und Aberrationen)<br />
in einem einzigen Interferometeraufbau<br />
durchgeführt werden können,<br />
wodurch potenzielle Fehlerquellen wie<br />
Orientierungsfehler oder Verwechselungsfehler<br />
einer Linse im Array vermieden<br />
werden. Die zur Datenakquisition und -<br />
analyse erforderliche Software wurde im<br />
Rahmen des Projekts erstellt.<br />
Die Herstellung hochpräziser mikro<strong>optische</strong>r<br />
Bauelemente aus anorganischen Gläsern durch innovative,<br />
schnelle Heißformgebungsverfahren ist nur bei exakter<br />
Kenntnis zur Wirkung der verschiedenen Prozessparameter<br />
möglich. Die Herausforderungen des Verbundvorhabens liegen<br />
dabei zum einen in einem umfassenden Verständnis des<br />
Abformprozesses und zum anderen in einer praktikablen begleitenden<br />
Qualitätsprüfung. Wesentliche technologisch und mess-<br />
technisch relevante Fragestellungen konnten durch die Arbeiten<br />
der beteiligten Institutionen geklärt werden, perspektivische<br />
Herausforderung für weiterführende Forschungsarbeiten ist<br />
die Herstellung und Prüfung von <strong>optische</strong>n Komponenten mit<br />
komplexen <strong>optische</strong>n Wirkflächen.<br />
Abb. 1: Schematische Darstellung der<br />
Laborapparatur zum schnellen<br />
Heißprägen anorganischer Gläser und<br />
heißgeprägtes Mikrolinsenarray.<br />
Abb. 2: Schematischer Aufbau des hybriden Twyman-Green<br />
/ Mach-Zehnder Interferometers.<br />
(a) Twyman-Green System und<br />
(b) Mach-Zehnder System.<br />
HeNe, Helium-Neon Laser (633 nm);<br />
MO, Mikroskopobjektiv;<br />
PBS, Polarisierender Strahlteiler;<br />
HWP, Halbwellenplatte;<br />
QWP, Viertelwellenplatte, Pol, Linearpolarisator;<br />
HALO, Hochapertur-Laserobjektiv;<br />
L, Sammellinse; M, Spiegel; Cam, Kamera;<br />
PZT, Piezo-Stellglied.<br />
33
34<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2002]<br />
Projekt:<br />
Ausschreibung 2002: Aktive Optik<br />
Viele Anwendungen der Optik wie z.B. Laser-Scanner, Kameras<br />
oder Abstandssensoren erfordern eine schnelle, variable<br />
Fokussierung. Häufig ist der Stellmechanismus komplex und<br />
verteuert daher das optoelektronische System signifikant. Ziel<br />
des am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg<br />
laufenden Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines<br />
variablen <strong>optische</strong>n Hohlspiegels, der elektromechanisch in seiner<br />
Brennweite verändert werden kann. Dabei soll der Spiegel<br />
mit kostengünstigen Massenprozessen aus Kunststoffen hergestellt<br />
werden. Grundidee ist, eine Reflektorschale durch eine<br />
zentrale Kraft auszulenken und so das Strahlenbündel zu fokussieren.<br />
Bisher verwendete, einfache Kunststoffspiegel weichen<br />
jedoch von der idealen Form ab und erzeugen dadurch einen zu<br />
großen Brennpunkt. Um einen scharfen Fokus zu erhalten, wird<br />
die Geometrie der Schale so gestaltet, dass sich immer die ideale<br />
Form eines Parabolspiegels ergibt, Abb. 1. Der Spiegel ist verformbar<br />
und weist eine definierte Biegelinie auf, wenn er durch<br />
elektromechanisch erzeugte Kräfte ausgelenkt wird.<br />
Das durchgeführte Vorhaben gliedert sich in die vier Arbeitspakete<br />
Spiegelkonstruktion und Auslegung, Kunststoff-Technik,<br />
Aktor-Integration und messtechnische Charakterisierung.<br />
Abb. 1: Aufbau des Spiegels variabler<br />
Brennweite zur Fokussierung von<br />
Laserstrahlen.<br />
Integrations- und Präzisions<strong>technologien</strong> für<br />
aktive <strong>optische</strong> Spiegelelemente<br />
Institut für Mikrosystemtechnik der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg<br />
Der erste Schritt hat die Konstruktion eines Bauteiles zum Ziel,<br />
welches eine definierte Verformung und definiertes strahlen<strong>optische</strong>s<br />
Verhalten aufweist. Dazu kann mit den Methoden<br />
der Automatisierten Design-Optimierung die ideale Form für<br />
das Bauteil gefunden werden. Aus diesem Grund wurde im<br />
Rahmen des Projektes zunächst ein neues Optimierungsverfahren<br />
entwickelt, welches bei der Simulation die physikalischen<br />
Domänen der Strahlenoptik, der Wellenoptik, der Mechanik und<br />
der Elektromagnetik umfasst und automatisiert abläuft. Dabei<br />
wird die Geometrie mit dem Programm „OPTIME“ systematisch<br />
so lange variiert, bis die Simulationen eine Toleranzschwelle des<br />
Fehlers der erwünschten Verformung unterschreiten. Auf diese<br />
Weise wird die Dicke über den Spiegelradius so bemessen, dass<br />
sich die Spiegelschale unter jeder Ansteuerkraft zu einer Parabel<br />
verformt. Durch die Erweiterung der Dickenanpassung um<br />
den Umfang konnte auch eine Form entwickelt werden, die<br />
besonders für schrägen Lichteinfall geeignet ist. Neben der<br />
Optimierung der Schichtdickenverteilung durch Simulation<br />
wurden auch analytische Lösungen untersucht. Der Vergleich<br />
zeigte die Konsistenz beider Methoden, für praxisrelevante<br />
komplexe Bedingungen ist aber die Optimierung auf Basis der<br />
Finite-Elemente-Simulation wesentlich vielseitiger.
Die Herstellung der Spiegel aus technischen Polymeren ist<br />
mittels Prägetechnik oder Spritzguss besonders wirtschaftlich.<br />
Kunststoffverarbeitung erfordert zunächst Prägestempel oder<br />
Spritzwerkzeuge,in welche dann die Spiegelschalen aus Polymeren<br />
abgeformt werden. Dazu wurden zunächst hochpräzise<br />
Werkzeuge aus Messing in <strong>optische</strong>r Qualität mit einer „Nanodrehbank“‚<br />
bzw. Ultrapräzisionsfräsmaschine hergestellt. Der<br />
Mikroformenbau mittels Ultrapräzisionsfräsen wird sowohl für<br />
das Prägen als auch für den Spritzguss durchgeführt. Die benutzte<br />
Zerspanungsmaschine weist ein Interferometer als<br />
Positionierhilfe auf. Im vorliegenden Fall wurde eine maximale<br />
Formabweichung des Spiegel-Prägewerkzeugs von der Soll-<br />
Dicke von mehreren Mikrometern erzielt. Dies wurde mit hoch<br />
genauen Koordinatenmessmaschinen verifiziert; die gemessenen<br />
Rauheiten Ra des Prägewerkzeugs liegen bei unter 20 nm.<br />
Die Spiegel wurden auf einer speziellen Heißprägemaschine<br />
aus den Werkstoffen COC und Polycarbonat abgeformt,Abb. 2.<br />
Im Hinblick auf die Verbesserung der Genauigkeit wurde der<br />
Prozess ausführlich untersucht. Die Prozessoptimierung wurde<br />
durch Heißpräge- und Spritzguss-Simulationen unterstützt.<br />
Schwerpunkt der weiteren Untersuchungen ist dabei die Optimierung<br />
der Planarität bei der Herstellung. Auf die Bauteile<br />
werden abschließend dünne Reflektionsschichten aus Gold<br />
mittels Physical Vapour Deposition aufgebracht,Abb. 2. Diese<br />
Verspiegelungen besitzen einen hohen Reflexionsgrad,gute<br />
Haftfestigkeit auch nach langer Betriebszeit und geringe<br />
Eigenspannungen.<br />
Abb. 2: Polymere Spiegel variabler<br />
Brennweite. Links: nach dem<br />
Prägeprozess, rechts: nach der<br />
Metallisierung mit Gold.<br />
Zur Erprobung der Spiegelelemente in einem Testsystem wurden<br />
Funktionsdemonstratoren hergestellt. Die Spiegelschalen<br />
werden durch Kleben mit dem Zuganker integriert. Die elektromagnetische<br />
Auslenkung bietet eine Reihe konzeptioneller und<br />
technischer Vorteile. Die Spiegelschalen mit 20 mm Durchmesser<br />
sind so ausgelegt,dass mit einer Stellkraft von 1 N eine<br />
Auslenkung von ca. 250 mm erreicht wird. Die derzeit laufenden<br />
Untersuchungen an den Funktionsmustern beinhalten ihre<br />
<strong>optische</strong> Charakterisierung,ihr dynamisches Verhalten und das<br />
Langzeitverhalten. Hierzu wird eine speziell entwickelte <strong>optische</strong><br />
Bank verwendet,Abb. 3.<br />
Abb. 3: System zur Fokussierung von<br />
Laserstrahlen mit variablen Spiegeln.<br />
35
36<br />
Wissenschaft & Forschung
ausschreibung 2003/2004<br />
37
38<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2003/2004]<br />
Projekt:<br />
Interesse und Notwendigkeit der Detektion von Protein-Protein-<br />
Interaktionen in lebenden Zellen nimmt kontinuierlich in<br />
Grundlagenforschung und Wirkstoffentwicklungen in der pharmazeutischen<br />
Industrie zu.Eine der erfolgreichsten Methoden,<br />
Protein-Protein-Interaktionen in lebenden Zellen zu detektieren<br />
ist die gentechnische Fusion der Proteine an Autofluoreszenzproteine<br />
und die Messung des Förster Resonance Energy Transfers<br />
(FRET), der zwischen den beiden Fluoreszenzproteinen entsteht,<br />
wenn die beiden Partnerproteine aneinander binden.<br />
Überexpression der fusionierten Gene und hohe Energieeinstrahlung<br />
bei herkömmlichen Methoden der Fluorophor-Anregung<br />
können dabei allerdings schnell zu Störungen der normalen<br />
Funktionen der lebenden Zelle führen.Je zellschonender die<br />
Methode der Fluoreszenzanregung und je sensitiver die Detektion<br />
der Fluoreszenz ist, umso besser kann deshalb unter physiologisch<br />
intakten Bedingungen der Zellen gemessen werden.<br />
Im Rahmen des Projekts werden am Naturwissenschaftlichen<br />
und Medizinischen Institut (NMI) an der Universität Tübingen<br />
mithilfe gentechnischer Methoden Zellsysteme hergestellt, die<br />
es erlauben, Interaktionen zwischen fluoreszenzmarkierten<br />
Proteinen zentraler Bedeutung im Bereich des Zell-Substratkontaktes<br />
zu verfolgen.In Zusammenarbeit mit dem Institut<br />
für Angewandte Forschung der Hochschule Aalen soll eine<br />
höchst sensitive und zellschonende Methode zum Nachweis<br />
dieser Protein-Protein-Interaktionen über die Detektion des<br />
FRET in lebenden Zellen etabliert werden.Mittels einer neuartigen<br />
Beleuchtungseinheit für die tiefenauflösende Totalreflexions-Fluoreszenzmikroskopie<br />
(TIRFM), die am Institut in Aalen<br />
entwickelt wurde, soll die Detektion des FRET zwischen den<br />
Fluoreszenzproteinen zum einen über die Veränderung des<br />
Photonenstroms von Donor und Akzeptor und zum anderen<br />
über die Messung der Abklingzeit des Donors (FLIM) bestimmt<br />
werden.<br />
Ausschreibung 2003/2004: Optische Zellsensorik und Zellaktorik<br />
FRET in TIRFM: Räumlich und zeitlich<br />
hochauflösende Detektion von Protein-Protein-<br />
Interaktionen in Zelladhäsionskomplexen<br />
Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut (NMI) an der Universität Tübingen<br />
Institut für Angewandte Forschung (IAF) der Hochschule Aalen<br />
Abb. 1: Schematische Darstellung<br />
der Anwendung von TIRFM in Kombination<br />
mit FRET zur Detektion von<br />
Protein-Protein-Interaktionen in<br />
„focal adhesions“. Ko-Expression und<br />
Interaktion von ECFP-FAK und<br />
EYFP-Pax.<br />
Als Fusionspartner werden therapeutisch relevante Komponenten<br />
von Zelladhäsionskomplexen verwendet, so dass Anwendungsmöglichkeiten<br />
dieser Technologie sowohl in der Grundlagenforschung<br />
als auch in der pharmazeutischen Industrie, z.B.<br />
im Wirkstoff- Screening, aufgezeigt werden können.Die Proteine<br />
Focal Adhesion Kinase (FAK) und Paxillin (Pax) sind zentrale<br />
Komponenten typischer Zelladhäsionskomplexe („focal adhesions“)<br />
und wurden als erstes Protein-Paar für diese Untersuchungen<br />
herangezogen (Abbildung 1).Durch ihre Fusion mit den<br />
Fluoreszenzproteinen EYFP bzw.ECFP (Enhanced Yellow/ Cyan<br />
Fluorescent Protein) kann ihre Lokalisation mithilfe der Fluoreszenzmikroskopie<br />
in lebenden Zellen verfolgt werden.Ihre korrekte<br />
intrazelluläre Lokalisation in „focal adhesions“ wurde in<br />
Hela-Zellen sowohl bei Beleuchtung der gesamten Zellen als<br />
auch bei selektiver Beleuchtung der Zytoplasmamembran mittels<br />
TIRFM gezeigt.Dies gelang in beiden Fällen dank der verwendeten<br />
hochempfindlichen EM-CCD-Kamera (Abb.2).
Abb. 2: Visualisierung des Fusionsproteins<br />
EYFP-FAK in Hela-Zellen<br />
bei selektiver Beleuchtung der<br />
Zytoplasmamembran mittels TIRFM.<br />
Anregungswellenlänge: 470 nm,<br />
Detektionsbereich: λ≥470 nm,<br />
Bildfeld: 210 µm x 210 µm.<br />
Aus biochemischen Untersuchungen ist bekannt, dass die<br />
beiden Proteine FAK und Pax in „focal adhesions" aneinander<br />
binden. Daher wird erwartet, dass eine Interaktion der beiden<br />
Proteine über FRET mit den beiden Fluoreszenzproteinen ECFP<br />
(Donor) und EYFP (Akzeptor) detektierbar sein sollte. Zur Messung<br />
dieses FRETs wurden Fluoreszenzspektren einzelner Hela-<br />
Zellen nach transienter Transfektion mit dem Vektor für das<br />
Fusionsprotein ECFP-FAK sowie nach Cotransfektion mit den<br />
Vektoren für die Fusionsproteine ECFP-FAK und EYFP-Pax aufgenommen.<br />
Gemäß Abb. 3 erkennt man im 1. Fall das Fluoreszenzspektrum<br />
von ECFP mit den Emissionsmaxima bei 480 nm und<br />
505 nm, sowie im 2. Fall zusätzlich die EYFP-Bande mit dem Emissionsmaximum<br />
bei 530 nm. Da sich bei der gewählten Anregungswellenlänge<br />
von 391 nm EYFP nicht direkt optisch anregen<br />
ließ, lässt das nach Cotransfektion ermittelte Fluoreszenzspektrum<br />
auf einen Energietransfer von ECFP auf EYFP schließen.<br />
Fokus der nachfolgenden Arbeiten in diesem Projekt wird das<br />
Messen des FRETs dieser und mindestens eines weiteren Protein-Paares<br />
in Zelladhäsionskomplexen bei einer selektiven<br />
Beleuchtung der Zytoplasmamembran mittels TIRFM sein. Der<br />
Nachweis von FRET soll hier zudem über Messungen der Fluoreszenzkinetiken<br />
des Donors (ECFP) erfolgen. Ein Vergleich der<br />
Sensitivitäten des FRET-Signal-Nachweises zwischen herkömmlichen<br />
Mikroskopiemethoden, wie z.B. der konfokalen Lasermikroskopie,<br />
und der hier vorgestellten Methode soll die Vorteile<br />
der letzteren für die Detektion von Protein-Protein-Interaktionen<br />
in lebenden Zellen bei einer für die Physiologie der Zelle<br />
günstigen niedrigen Expression der Fusionsgene zeigen.<br />
Abb. 3: Fluoreszenzspektren einzelner<br />
Hela-Zellen nach Transfektion mit<br />
dem Vektor für ECFP-FAK bzw. nach<br />
Cotrans-fektion mit den Vektoren für<br />
ECFP-FAK und EYFP-Pax.<br />
Anregungswellenlänge: 391 nm.<br />
39
40<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2003/2004]<br />
Projekt:<br />
Fragestellungen<br />
Neuere Veröffentlichungen aus der Krebsforschung wie auch<br />
aus der Entwicklungsbiologie zeigen ganz klar, dass für das<br />
erfolgreiche Verstehen von Schlüsselprozessen in biologischen<br />
Geweben, zum Beispiel bei der Krebsentstehung, der Metastasenbildung<br />
sowie der Entwicklung entsprechender Therapien,<br />
eine Untersuchung der biologisch relevanten Prozesse in einem<br />
möglichst naturnahen System erfolgen muss. Zu diesem Zweck<br />
werden gegenwärtig große Anstrengungen unternommen, die<br />
Zellkulturtechnologie von der derzeit üblichen zweidimensionalen<br />
Kultivierung auf drei Dimensionen auszuweiten. Laut<br />
Abbott (Nature, 424:870-872) gehen viele Wissenschaftler<br />
davon aus, dass in wenigen Jahren ausschließlich 3D-Zellkulturen<br />
für die Akquisition biologisch relevanter neuer Informationen<br />
verwendet werden können.<br />
Der gegenwärtige Prozess der Entwicklung von Zellkultur<strong>technologien</strong><br />
für 3D-Zellkulturen benötigt dringend neue <strong>optische</strong><br />
Systeme, die in der Lage sind, die ablaufenden Prozesse mit<br />
hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu verfolgen und<br />
über große, hochaufgelöste Bildfolgen statistisch relevante<br />
Daten für viele Zellen gleichzeitig zu erhalten.<br />
Projektziele<br />
Zellen wachsen normalerweise nicht auf Deckgläsern, sondern<br />
als komplexe dreidimensionale hybride Kulturen. Hieraus ergibt<br />
sich, dass sich die moderne Zellbiologie ganz wesentlich zu<br />
einer Zellbiologie dreidimensionaler Kulturen bekennen muss.<br />
Um solche komplexe und relativ große Strukturen quantitativ<br />
zu erfassen, wird die Lichtscheibenmikroskopie (SPIM: Selective<br />
Plane Illumination Microscope) als zentrale Technologie sowohl<br />
von der instrumentellen als auch von der präparativen Seite<br />
systematisch weiterentwickelt. Eine wichtige Aufgabe im Rahmen<br />
der Entwicklung der Instrumentation licht<strong>optische</strong>r Systeme<br />
kommt einem konkreten Projekt mit Bäckerhefe zu. Mit<br />
Hilfe dieses relativ einfach kultivierbaren Organismus sollen die<br />
Grenzen der SPIM-Technologie systematisch und nachvollzieh-<br />
Ausschreibung 2003/2004: Optische Zellsensorik und Zellaktorik<br />
Hochauflösende, isotrope Fluoreszenzmikroskopie<br />
in extrem streuenden Proben<br />
Europäisches Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL-Heidelberg)<br />
bar ausgelotet werden. Dies dient dazu, den Weg für den Einsatz<br />
der SPIM-Technologie für die Anwendung an lebenden<br />
Geweben, wo hohe Anforderungen and die Probenkultivierung<br />
gestellt werden, zu bereiten.<br />
Grundsätzliches über die SPIM-Technologie<br />
Ein wesentliches Element zur Lösung der beschriebenen<br />
Probleme wird im neu entwickelten Lichtscheibenmikroskop<br />
(SPIM) gesehen. In diesem Instrument wird mit Hilfe einer<br />
zylindrischen Beleuchtungseinheit spezifisch in einer dünnen<br />
Ebene eines fluoreszenzmarkierten Objekts die Emission induziert.<br />
Ein Mikroskopobjektiv, welches orthogonal zur Lichtscheibe<br />
angeordnet ist, bildet die Fluoreszenzemission dieser Ebene<br />
Abb. 1: Aufbau der Probenkammer<br />
und der Beobachtungseinheit des<br />
SPIM. Die biologische Probe wird in<br />
eine zylindrische Matrix (z.B.<br />
Agarose) eingebettet. Diese wird dann<br />
an einem Probenhalter befestigt, der<br />
die Bewegung der Probe in drei<br />
Richtungen (x, y, und z) als auch die<br />
Rotation der Probe ermöglicht.<br />
Dadurch kann die Probe entlang jeder<br />
gewünschten Richtung mittels eines<br />
aufgefächerten Laserstrahls ("light<br />
sheet") ausgeleuchtet werden.<br />
Gleichzeitig befindet sich die Probe in<br />
einer Kammer, die mit einem entspre-<br />
chenden Medium gefüllt werden kann,<br />
wodurch optimale Kultivationsbedingungen<br />
für empfindliche Proben<br />
gewährleistet werden können.<br />
Ein rechtwinklig zum Laserstrahl<br />
angeordnetes Objektiv ermöglicht die<br />
Abbildung der Lichtebene auf eine<br />
gekoppelte hochempfindliche CCD-<br />
Kamera. Durch die Wahl der Wellenlänge<br />
des Lasers und die Verwendung<br />
geeigneter Filter kann die Mikroskopiereinheit<br />
für sämtliche üblichen<br />
Probenfärbungen, wie z.B. Lebendfluoreszenzfarbstoffe<br />
(GFP), adaptiert<br />
werden.
Vergleich verschiedener mikroskopischer Methoden<br />
konventionell konfokal 2-Photonen SPIM<br />
Beleuchtung gesamte gesamte „eine Ebene“ ausschließlich<br />
Probe Probe Beobachtungs<br />
ebene<br />
Abbildung stark gering gering keine<br />
unfokussierter<br />
Probenbereiche<br />
Probenbelastung mittel stark stark sehr gering<br />
Beobachtung & einseitig einseitig einseitig allseitig<br />
Manipulation<br />
Anschaffungskosten niedrig hoch sehr hoch niedrig<br />
Probenaufbereitung Planar, Planar, Planar, Räumlich,<br />
einfach einfach einfach aufwendig<br />
auf eine hochwertige Kamera ab (Abb. 1). Da nur eine Ebene<br />
(Lichtscheibe) beleuchtet wird, bestimmt deren laterale Ausdehnung<br />
die Schärfentiefe des Instrumentes entlang der <strong>optische</strong>n<br />
Achse des beobachtenden Systems ganz wesentlich mit.<br />
Die laterale Auflösung ergibt sich aus den Eigenschaften des<br />
Mikroskopobjektivs. Das vierachsige Aktuatorsystem, in dem<br />
das Objekt montiert wird, ist entlang aller drei Raumrichtungen<br />
beweglich und um die gemeinsame Achse des Beleuchtungsund<br />
Detektionssystems drehbar. Das SPIM hat Eigenschaften,<br />
die denen eines konfokalen Fluoreszenzmikroskops entsprechen,<br />
arbeitet aber erheblich schneller, ist deutlich effizienter,<br />
wesentlich vielseitiger und in der Herstellung erheblich<br />
kostengünstiger (siehe Tabelle). Im Besonderen ist es auch für<br />
Anwendungen geeignet, die einen großen Arbeitsabstand<br />
erfordern (3D Proben). Die spezifische Art der selektiven<br />
Beleuchtung reduziert dramatisch die Belastung des Objektes<br />
(d.h. weniger Ausbleichen, geringere phototoxische Effekte,<br />
keine Wärmeentwicklung) während der Beobachtung. Mit dem<br />
SPIM können lebende Objekte über einen wesentlich längeren<br />
Tabelle 1: Vergleich verschiedener<br />
lichtmikroskopischer Verfahren in<br />
ihrer Anwendung in der biologischmedizinischen<br />
Forschung und Analyse,<br />
insbesondere von Lebend-Proben.<br />
Zeitraum beobachtet werden als mit vielen anderen bisher entwickelten<br />
Techniken.<br />
Da das SPIM eine Entwicklung neuesten Datums ist (Science<br />
(2004) 305:1007-1009), sind viele seiner Möglichkeiten (und<br />
Grenzen) noch unerforscht. Die Besonderheit des SPIM liegt<br />
insbesondere auch in der Probenzubereitung, die komplett verschieden<br />
von sämtlichen bisherigen Mikroskopierverfahren ist.<br />
Dementsprechend fehlt für die allermeisten Applikationen die<br />
Erfahrung bezüglich der optimalen Probenzubereitung, der<br />
Lebendkultivierung der Proben in geeigneten Aufzuchtbehältern<br />
vor und während der Probenbeobachtung sowie der geeigneten<br />
Methoden der Datenakquisition und Datenauswertung.<br />
Dies soll im Rahmen des Projekts effizient angegangen werden,<br />
um die noch bestehenden Hürden für die universelle Anwendbarkeit<br />
der SPIM-Mikroskopie zu überwinden. Es wird erwartet,<br />
dass diese Anstrengungen einen großen Einfluss auf viele Bereiche<br />
der biologischen und medizinischen Forschung und<br />
Diagnostik haben werden.<br />
41
42<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2003/2004]<br />
Projekt:<br />
Ausschreibung 2003/2004: Optische Zellsensorik und Zellaktorik<br />
Neue 4Pi-Kontraste zur Abbildung lebender Zellen<br />
Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ)<br />
In der Biomedizin besteht weltweit ein großer Bedarf nach<br />
nicht-invasiven <strong>optische</strong>n Mikroskopie-Techniken. Hierbei spielen<br />
die <strong>optische</strong> Auflösung kleinster Strukturen innerhalb von<br />
Zellen und die Sensitivität eine zentrale Rolle. Das Ziel des Projekts<br />
ist es, neue Mikroskopiekontraste ohne Färbungen und die<br />
damit verbundenen Vorteile zu erforschen und sie in der biomedizinischen<br />
Forschung zu erproben. Dazu werden lineare<br />
und nicht-lineare Streuungen in die 4Pi-Mikroskopie eingeführt.<br />
Für Hochauflösung fluoreszierender Präparate wurde in den<br />
letzten Jahren die 4Pi-Mikroskopie entwickelt [2, 5]. Dabei werden<br />
die Strahlen zweier sich gegenüberliegenden Objektive<br />
interferenzfähig überlagert. Dies führt zu einer axial 5-fach<br />
höheren Auflösung im Vergleich zum konfokalen Standard oder<br />
dem Multiphotonenfluoreszenzmikroskop.<br />
Abb. 1: Beim 4Pi-Mikroskop wird ein<br />
Laserstrahl durch 2 gegenüberliegende<br />
Objektive auf denselben Punkt im<br />
Objekt fokussiert. Dabei interferieren<br />
die Strahlen und formen einen doppelt<br />
so hellen, axial 5-fach kleineren<br />
Brennpunkt im Vergleich zum herkömmlichen<br />
Mikroskop.<br />
Es ist bekannt, dass bestimmte hochinteressante Biomoleküle<br />
aufgrund ihrer (A)Symmetrieeigenschaften einen hohen Wechselwirkungsquerschnitt<br />
für nicht-lineare Streuung, wie z.B. SHG<br />
haben. Eine Übersicht über die Anwendungspotenziale von<br />
SHG alleine ist z.B. in „Imaging in Perfect Harmony“, Benjamin<br />
D. Butkus, Biophotonics International, August 2003, 48 ff zu finden.<br />
Darüber hinaus ist festzustellen, dass die Detektion mancher<br />
Zellbestandteile oft besser mit nicht-linearen Streumethoden<br />
wie SHG [1, 3] oder sogar mit Kohärenter-Antistokes-Raman-Streuung<br />
(CARS) durchzuführen ist [4]. Kollagen stellt beispielsweise<br />
80 % des Proteinanteils in der menschlichen Haut<br />
dar und ist dafür bekannt, dass es einen hohen SHG-Wirkungsquerschnitt<br />
besitzt [6]. Auch ist bekannt, dass es in der Entstehung<br />
und Verbreitung bestimmter Tumorarten beteiligt ist.<br />
Weiterhin besteht 30 % des Proteinanteils im menschlichen<br />
Körper aus verschiedenen Typen von Kollagenen, die durch ihre<br />
nicht-punktsymmetrische Symmetrie einen hohen typabhängigen<br />
Wirkungsquerschnitt für SHG aufweisen. Myosin und<br />
Tubulin sind ebenfalls der intrinsischen nicht-linearen Abbildung<br />
zugänglich, wenn auch etwas schwächer.<br />
Die Ausnutzung dieser nicht nicht-linearen Effekte in der neuen<br />
4Pi-Mikroskopie verspricht daher besondere Vorteilen und birgt<br />
neue potente Abbildungsverfahren.
Ein 4Pi-Aufbau sammelt doppelt soviel Licht wie ein herkömmliches<br />
Mikroskop. In der nicht-linearen Streuung kann die 4Pi-<br />
Mikroskopie dieses Potenzial noch weiter steigern, denn die bei<br />
der 4Pi-Anordnung erzeugte Interferenz führt zu einer lokalen<br />
Feldüberhöhung, welche nicht-lineare <strong>optische</strong> Effekte lokal<br />
verstärkt. Daher sollen die neuen Kontraste im Vergleich zu<br />
bekannten Mikroskopieverfahren wahlweise oder zugleich:<br />
a) über ein höheres (nicht-lineares) Bildsignal verfügen,<br />
b) sensitiver sein,<br />
c) die Probe mit höherer 3D-Auflösung abbilden,<br />
d) eine höhere Eindringtiefe in Zellverbänden und<br />
Embryonen erlauben und somit<br />
e) Informationen aus Zellen, Zellverbänden und<br />
Embryonen liefern, die bisher mit keinem anderen<br />
Verfahren zugänglich waren.<br />
Zusätzlich zeigen Überlegungen auf, dass sich hiermit ein axialer<br />
Interferenzkontrast bilden lässt.<br />
Darüber hinaus kann mittels aktiver Optik und Wellenfrontsensoren<br />
die Auflösung an die theoretische Grenze gebracht<br />
werden. Dies wird durch die besondere Eignung der 4Pi-Mikroskopie<br />
für aktiv-adaptiv <strong>optische</strong> Wellenfrontkorrekturen zusätzlich<br />
verstärkt. Die <strong>optische</strong> Anordnung des 4Pi-Mikroskops ist<br />
für die aktive und adaptive Optik besonders geeignet, da der<br />
transmittierte lichtstarke Beleuchtungsstrahl direkt als Diagnosestrahl<br />
ausgekoppelt werden kann und zur aktiven/adaptiven<br />
Korrektur zur Verfügung steht. Damit werden künstliche und<br />
oft störende Hilfsobjekte zur Strahldiagnose überflüssig.<br />
Die Forschungsarbeiten werden in Kooperation mit zell- und<br />
entwicklungsbiologisch, sowie tumordiagnostisch orientierten<br />
Abteilungen am DKFZ in Heidelberg erfolgen.<br />
Referenzen<br />
[1] J. N. Gannaway, Opt. Quant. Electr. 10 (1978) 435.<br />
[2] S. Hell and E. H. K. Stelzer, J. Opt. Soc. Am. A 9 (1992) 2159.<br />
[3] Y. Barad, H. Eisenberg, M. Horowitz, and Y. Silberberg, Appl. Phys.<br />
Lett. 70 (1997) 922.<br />
[4] A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82<br />
(1999) 4142.<br />
[5] S. W. Hell, Nature Biotechnol. 21 (2003) 1347.<br />
[6] G. Cox, E. Kable, A. Jones, I. Fraser, F. Manconi, and M. D. Gorrell,<br />
J. Struct. Biol. 141 (2003) 53.<br />
43
44<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2003/2004]<br />
Projekt:<br />
Ausschreibung 2003/2004: Optische Zellsensorik und Zellaktorik<br />
Nicht-invasive Darstellung menschlicher<br />
Hirnfunktionen mittels Diffusing-Wave-<br />
Spectroscopy (DWS)<br />
Universität Konstanz, Fachbereich Physik<br />
Optische Methoden auf der Basis von nah-infrarotem (NIR)<br />
Licht bieten große Vorteile als diagnostische Instrumente für<br />
die Medizin gegenüber etablierten Methoden wie Magnetresonanz-<br />
und Positronen-Emissions-Tomographie sowie Magnetound<br />
Elektroenzephalographie, da sie vergleichsweise geringe<br />
Investitions- und Betriebskosten mit schwacher Wechselwirkung<br />
der verwendeten Strahlung mit dem Gewebe und gute<br />
Portabilität vereinen.<br />
Obwohl biologisches Gewebe NIR-Licht bei Wellenlängen zwischen<br />
ca. 750 nm und 950 nm deutlich schwächer absorbiert<br />
als sichtbares und infrarotes Licht, ist seine Trübung aufgrund<br />
der Lichtstreuung an mikroskopischen Heterogenitäten auf der<br />
Skala der Lichtwellenlänge hinreichend groß, so dass die direkte<br />
Bildgebung von Strukturen, die sich mehr als einige mm unter<br />
der Oberfläche befinden, erheblich erschwert ist. Dies ist gerade<br />
für die funktionale Bildgebung im Gehirn, wo invasive Diagnostik<br />
mit großem Aufwand und erheblichem Risiko verbunden<br />
ist, von größter Tragweite.<br />
Herkömmliche nicht-invasive NIR-<strong>optische</strong> Methoden zur funktionalen<br />
Bildgebung im menschlichen Gehirn basieren auf<br />
Absorptions- und Streukontrasten aufgrund lokaler Variationen<br />
der Durchblutung und Sauerstoffsättigung des Blutes. Aus gemessenen<br />
Lichtintensitätsverteilungen an der Kopfhaut kann<br />
unter Berücksichtigung der diffusiven Ausbreitung von Licht im<br />
Gewebe auf lokale Veränderungen der Durchblutung im Hirngewebe<br />
aufgrund von funktionaler Aktivation geschlossen werden.<br />
Anderseits geben Bewegungen von Streuern im Gewebe<br />
(wie Vesikel, Mitochondrien, Membranen oder Blutkörperchen)<br />
Anlass zu zeitlichen Fluktuationen im Speckle-Muster von vielfach<br />
gestreutem Laser-Licht, wenn dieses eine hinreichend<br />
große Kohärenzlänge besitzt. Diese "Diffusing-Wave Spectroscopy"<br />
(DWS) genannte Verallgemeinerung der quasi-elastischen<br />
Lichtstreuung auf vielfach gestreutes Licht ist deshalb<br />
v.a. auf dynamische Heterogenitäten im Gewebe empfindlich<br />
(Abb. 1). Im Gegensatz zur klassischen quasi-elastischen Lichtstreuung,<br />
bei der die zeitliche Autokorrelationsfunktion der<br />
Streuintensität, g(2)(t), erst für Streuer-Verschiebungen von<br />
einer Lichtwellenlänge zerfällt, führt in der DWS die Akkumulation<br />
des Phasenhubs durch viele Streuereignisse zu einem<br />
Zerfall des DWS-Signals schon für Streuer-Verschiebungen, die<br />
viel kleiner als eine Wellenlänge sind, dies umso mehr, je länger<br />
der Photonenpfad zwischen Quelle und Empfänger ist. Deshalb<br />
verleiht die Vielfachstreuung dem DWS-Signal eine stark erhöhte<br />
Empfindlichkeit auf mikroskopische Verschiebungen innerhalb<br />
des trüben Mediums. Der Umstand, dass lange Photonenpfade<br />
dem Kurzzeitverhalten von g(2)(t) und umgekehrt kurze<br />
Pfade dem Langzeitverhalten von g(2)(t) entsprechen, verleiht<br />
DWS darüber hinaus eine Art grober räumlicher Auflösung.<br />
Abb. 1: Nah-infrarotes Licht (grün<br />
dargestellt) kann durch Kopfhaut und<br />
Schädeldecke in das Gehirn eindringen<br />
und wird dort an mikroskopischen<br />
Strukturen, z.B. Zellmembranen und<br />
roten Blutkörperchen gestreut.<br />
Das gestreute Licht, das vom Empfänger<br />
auf der Kopfhaut gesammelt wird,<br />
stammt aus dem gelb dargestellten<br />
Volumen zwischen Sender und Empfänger<br />
und trägt Information über<br />
mikroskopische Bewegungen in aktivierten<br />
Bereichen der Hirnrinde.
Vollständig nicht-invasive Experimente an menschlichen Probanden<br />
zeigen klar eine Beschleunigung der Speckle-Fluktuationen<br />
aufgrund der Stimulation spezifischer Hirnareale. Die<br />
Probanden aktivierten dabei ihre sensorimotorische Hirnrinde<br />
mit Fingerübungen. DWS-Signale zerfallen mit Zeitkonstanten<br />
von ca. 40 µs (Abb. 2). Die Analyse der Daten mit einem 3-Schichten-Modell<br />
für den menschlichen Kopf zeigte, dass der Diffusionskoeffizient<br />
des aktivierten Areals zuverlässig von der Dynamik<br />
in der Kopfhaut und von Änderungen der Absorption der<br />
Hirnrinde aufgrund erhöhter Durchblutung separiert werden<br />
kann (J. Li et al, J. Biomed. Opt. [2005, in press]). Es konnte<br />
gezeigt werden, dass die Diffusionskoeffizienten der Motor-<br />
Rinde in einer Gruppe von 11 Probanden durch motorische<br />
Stimulation signifikant zunehmen, wobei eine starke Asymmetrie<br />
zwischen kontra- und ipsilateraler Stimulation beobachtet<br />
wird, was belegt, dass ein signifikanter Anteil der detektierten<br />
Photonen durch die Hirnrinde gestreut wurde.<br />
Der Ursprung der aktivationsabhängigen Beschleunigung der<br />
Diffusion in der Hirnrinde ist zurzeit noch nicht abschließend<br />
geklärt. Mögliche Ursachen sind die Erhöhung der Blutflussgeschwindigkeit<br />
oder die erhöhte Beweglichkeit von synaptischen<br />
Vesikeln nach Einsetzen der Aktivation. Diese Frage wird<br />
mit einer Kombination von stimulussynchronisierter Detektion<br />
und Protokollen zur Stimulation der visuellen Hirnrinde untersucht,<br />
was Informationen über den zeitlichen Verlauf des kortikalen<br />
Diffusionskoeffizienten kurz nach dem Einsetzen des<br />
Stimulus liefern sollte.<br />
Abb. 2: Reduzierte Intensitäts-Autokorrelationsfunktionen,<br />
gemessen über<br />
der somatomotorischen Hirnrinde<br />
eines rechtshändigen Probanden (J. Li<br />
et al, J. Biomed. Opt. [2005, in press]).<br />
(a) Messungen während der Ruhephase<br />
(Quadrate) bzw. kontralateraler<br />
Stimulation mit einer Fingerübung<br />
(Kreise). Die Stimulation führt zu<br />
einem beschleunigten Zerfall des<br />
DWS-Signals.<br />
(b) DWS-Signale für kontralaterale<br />
Stimulation (Kreise) zerfallen schneller<br />
als für ipsilaterale Stimulation<br />
(Dreiecke) aufgrund stärkerer Aktivation<br />
der Hirnrinde durch kontralaterale<br />
Stimulation.<br />
45
46<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2003/2004]<br />
Projekt:<br />
Die Aufklärung und Kontrolle komplexer molekularer dynamischer<br />
Prozesse während der Zelldifferenzierung spielt in der<br />
Tumorforschung,der Stammzellforschung und ganz allgemein<br />
im Bereich des "tissue engineering" eine wichtige Rolle. Die<br />
Visualisierung dieser Prozesse dient der Diagnostik,z.B. von<br />
Tumorerkrankungen,und erlaubt eine frühzeitige individuelle<br />
Therapie mit guten Erfolgsaussichten. Aktuell wird der Differenzierungsgrad<br />
über aufwändige biochemische Methoden<br />
bestimmt. Wünschenswert sind jedoch Verfahren,die eine einfache<br />
und möglichst wenig invasive in-situ Diagnostik erlauben.<br />
Das Ziel des Verbundprojektes ist es,durch Kombination komplementärer<br />
mikroskopischer Verfahren die strukturellen und<br />
funktionellen Änderungen bei der Zelldifferenzierung zeitlich<br />
und räumlich hochaufgelöst sowie markerfrei in lebenden<br />
Zellen darzustellen. Koordinator des Projektes ist das Institut<br />
für Laser<strong>technologien</strong> in der Medizin und Meßtechnik (ILM) an<br />
der Universität Ulm. Weiterhin sind das Institut für Angewandte<br />
Forschung der Hochschule Aalen sowie die Universitätsklinik<br />
und Poliklinik für Kinder und Jugendmedizin Ulm in das<br />
Projekt mit eingebunden. Im Detail werden am Modell des<br />
Neuroblastoms reaktionsspezifische Kontrastverfahren zur<br />
Optimierung der konfokalen Ramanmikroskopie und der zeit-<br />
Abb. 1: Definition von Basisspektren<br />
in verschiedenen Zellkompartimenten<br />
mit korrespondierenden Zellbildern<br />
lebender Zellen.<br />
Ausschreibung 2003/2004: Optische Zellsensorik und Zellaktorik<br />
Visualisierung dynamischer Prozesse bei der<br />
Zelldifferenzierung durch kontrastverstärkende<br />
Ramanmikroskopie und zeitaufgelöste<br />
Fluoreszenzmikroskopie<br />
Institut für Laser<strong>technologien</strong> in der Medizin und Meßtechnik (ILM) an der Universität Ulm<br />
Institut für Angewandte Forschung (IAF) der Hochschule Aalen<br />
Universitätsklinik und Poliklinik für Kinder und Jugendmedizin Ulm<br />
aufgelösten Fluoreszenzmikroskopie evaluiert und kombiniert,<br />
um dynamische Prozesse in lebenden Zellen mit unterschiedlichem<br />
Differenzierungsgrad zu erfassen. Der Differenzierungsgrad<br />
wird dabei anhand charakteristischer Ramanbanden für<br />
DNA/RNA,Proteine und Lipide sowie anhand der Fluoreszenzabklingzeit<br />
der Autofluoreszenz bestimmt. Mit dem Ziel einer<br />
simultanen Erfassung von Ramanstreuung und Fluoreszenzabklingzeit<br />
werden verschiedene gepulste und nicht gepulste<br />
Laserquellen zur Anregung eingesetzt.<br />
Die Autofluoreszenz wird u.a. durch Coenzyme der Atmungskette<br />
bewirkt und kann in unterschiedlich differenzierten Zellen<br />
variieren. Auch die Protein- und DNA/RNA-Verteilung kann sich<br />
ändern. Im Rahmen der konfokalen Ramanmikroskopie wird<br />
deshalb unter anderem die aliphatische C-H-Streckschwingung,<br />
die für Proteine allgemein charakteristisch ist (sog. "high frequency"<br />
Ramanbanden zwischen 2800 – 3030 cm-1) sowie der<br />
sog. "fingerprint"-Bereich (spektraler Bereich zwischen 700 und<br />
1800 cm-1) untersucht. Dazu wird das Ramanspektrum der<br />
Zelle in Abhängigkeit des Differenzierungsgrades Pixel für Pixel<br />
erfasst und Bereiche,die für einzelne Ramanbanden charakteristisch<br />
sind,simultan bildgebend dargestellt.
Als Beispiel sind in Abb. 1 Schwingungsspektren in unterschiedlichen<br />
Zellkompartimenten, die mit einem CRM200 der Firma<br />
WITec gewonnen wurden, dargestellt. Die entsprechenden<br />
Zellkompartimente sind anhand der hellen Intensitäten in den<br />
korrespondierenden Zellbildern zu erkennen. Diese Spektren<br />
wurden als sog. Basisspektren verwendet. Jedes gemessene<br />
Spektrum wurde an eine Linearkombination dieser Basisspektren<br />
gefittet und ein sog. "similiarity mapping" oder "spectral<br />
unmixing" für jeden Pixel vorgenommen. Die Bilder und<br />
Spektren wurden durch Anregung mit 532 nm eines frequenzverdoppelten<br />
Nd:YAG-Lasers gewonnen. Die Bande zwischen<br />
1200 und 1360 cm-1 entspricht Adenin und Guanin, sowohl<br />
Proteine als auch Lipide besitzen eine Bande bei 1600 cm-1.<br />
Die Bande bei 1449 cm-1 entspricht der CH2-Biegeschwingung<br />
von Proteinen.<br />
In Abb. 2 ist in Falschfarben das entsprechende Ramanbild, welches<br />
man nach der Methode des "similarity mapping" erhält,<br />
dargestellt. Wie zu erkennen ist, lassen sich die verschiedenen<br />
Bereiche der Zelle, wie Zellkern, Nukleoli, Mitochondrien sowie<br />
Lysosomen anhand ihres unterschiedlichen Lipid-, Protein- und<br />
DNA-Gehalts eindeutig unterscheiden – und dies ganz ohne<br />
Anfärben der Zellen. Die konfokale Ramanmikroskopie ist damit<br />
eine innovative und neue <strong>optische</strong> Methode, um Zellen aufgrund<br />
molekularer Unterschiede, wie sie im Rahmen der Zelldifferenzierung<br />
zu erwarten sind, zu identifizieren.<br />
Abb. 2: Ramanbild einer lebenden<br />
Zelle in Falschfarbendarstellung;<br />
Farben entsprechen den jeweils<br />
gefitteten Spektren.<br />
Im Rahmen dieses Projekts wird der Prozess der Zelldifferenzierung<br />
in lebenden Zellen durch die oben beschriebenen<br />
mikroskopischen Techniken analysiert. Für eine erfolgreiche<br />
Durchführung der Arbeiten sind die verschiedenen Kompetenzen<br />
der Projektpartner essentiell.<br />
47
48<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2003/2004]<br />
Projekt:<br />
Ausschreibung 2003/2004:<br />
Optische Systeme für den Terahertzbereich<br />
Entwicklung eines kompakten Mikrospektrometers<br />
für den Terahertzbereich<br />
1. Physikalisches Institut der Universität Stuttgart<br />
5. Physikalisches Institut der Universität Stuttgart<br />
Der Terahertzbereich (0,1 – 10 THz) ist das bisher nur wenig<br />
erforschte elektromagnetische Spektrum zwischen Elektronik<br />
und Optik, also zwischen dem Wellenlängenbereich, indem<br />
hochfrequenter Wechselstrom noch in Kabeln oder Hohlleitern<br />
geführt wird und dem Bereich, in dem elektromagnetische<br />
Wellen durch Linsen und Spiegel manipuliert werden. Für THz-<br />
Strahlung wird ein großes Anwendungspotenzial in der Medizin,<br />
Pharmazie und in den Materialwissenschaften gesehen.<br />
THz-Strahlen durchdringen Materie ähnlich wie Röntgenstrahlen,<br />
sind aber nicht-ionisierend und gelten deshalb als ungefährlich.<br />
Die Anwendung von THz-Strahlung liefert spezifische<br />
spektroskopische Informationen, die mit anderen Techniken im<br />
sichtbaren Spektralbereich, mit Röntgenstrahlen oder über<br />
NMR (Nuclear Magnetic Resonance) nicht zugänglich sind.<br />
Einer breiteren Anwendung und der Entwicklung neuer Messverfahren<br />
in diesem interessanten Frequenzbereich steht aber<br />
ein Mangel an kompakten, billigen und leicht zu handhabenden<br />
Quellen entgegen. Ziel dieses Projekts ist deshalb die Realisierung<br />
eines kompakten, leistungsstarken und über einen breiten<br />
Frequenzbereich durchstimmbaren Spektrometers für den<br />
THz-Bereich.<br />
Zur Realisierung des kompakten Aufbaus soll die THz-Strahlung<br />
über die Differenzfrequenzbildung zwischen zwei schmalbandigen<br />
Laserlinien im NIR in einem nichtlinearen Medium generiert<br />
werden. Die beiden Laserlinien werden mit einer einzigen<br />
Laserdiode mit externem Resonator in einer modifizierten<br />
Littman-Anordnung erzeugt. Mit dieser Anordnung lässt sich<br />
die Frequenz ohne mechanische Teile über einen weiten Bereich<br />
durchstimmen. Ein elektro-<strong>optische</strong>r Detektor soll zur<br />
empfindlichen und phasensensitiven Aufzeichnung der THz-<br />
Welle dienen.<br />
Reale Proben sind in der Regel inhomogen. Deshalb sind bildgebende<br />
Verfahren für die Anwendung besonders interessant. Die<br />
Wellenlänge von THz-Strahlung ist allerdings sehr lang (30 –<br />
3000 µm), sodass die maximal erzielbare Auflösung im Fern-<br />
feld stark durch die Beugung limitiert wird. In dem Projekt werden<br />
zusätzlich Verfahren entwickelt, die es erlauben spektroskopische<br />
Informationen von Probenbereichen zu erhalten, die deutlich<br />
kleiner als die Wellenlänge der verwendeten Strahlung sind.<br />
Um die Abbe'sche Beugungsgrenze zu unterlaufen, ist geplant,<br />
das kompakte Spektrometer mit Nahfeldtechniken zu kombinieren.<br />
Mit diesem Konzept lässt sich dann eine hohe spektrale<br />
Auflösung mit einer hohen räumlichen Auflösung im THz-<br />
Bereich kombinieren.<br />
Spektroskopie und Nahfeld-Mikroskopie im THz-Bereich sind<br />
seit Jahren ein Schwerpunkt am 1. Physikalischen Institut der<br />
Universität Stuttgart. Für Forschungszwecke wird die THz-<br />
Strahlung hier mit Hochfrequenz-Elektronenröhren (Backward<br />
wave oscillators, BWOs) erzeugt. Diese Quellen arbeiten bei<br />
Frequenzen zwischen 30 GHz und 1,5 THz, liefern eine Ausgangsleistung<br />
bis 300 mW und sind sehr schmalbandig. Sie<br />
lassen sich aber nur in einem begrenzten Bereich durchstimmen.<br />
Außerdem sind sie teuer, schwer und umständlich zu<br />
handhaben. Sie eignen sich aber sehr gut zur Entwicklung<br />
neuer Abbildungsverfahren im THz-Bereich.<br />
Der Einsatz von sog. Festkörper-Immersionslinsen hat die<br />
Kapazität von <strong>optische</strong>n Speichern in den letzten Jahren deutlich<br />
erhöht. Im sichtbaren Spektralbereich gibt es keine Materialien<br />
mit einem Brechungsindex n über 2. Wegen der ionischen<br />
Polarisation ist der Brechungsindex in allen Materialien<br />
im THz-Bereich aber deutlich höher als im Sichtbaren; hier gibt<br />
es Materialien mit Brechungsindices bis 10.<br />
In der ersten Projektphase konnte gezeigt werden, dass es mit<br />
einem THz-Immersionsmikroskop möglich ist, Spektren und<br />
Bilder mit einer subwellenlängen Auflösung aufzunehmen.<br />
Abb. 1 zeigt den schematischen Aufbau. Die THz-Strahlung wird<br />
mit Hilfe einer hyperbolischen Linse auf einen beugungsbegrenzten<br />
Spot fokussiert. Dieser wird dann in der hemisphärischen<br />
Linse um den Faktor n reduziert. Eine kleine Apertur in
unmittelbarer Nähe der Probe definiert die Auflösung. Die<br />
hyperbolischen Linsen für den THz-Bereich lassen sich mit<br />
guter <strong>optische</strong>r Qualität (Rauhigkeit < _/10) auf einer computergesteuerten<br />
Drehbank aus Polyethylen herstellen. Polyethylen<br />
selbst ist in diesem Frequenzbereich völlig transparent und<br />
zeigt keinerlei Dispersion. Als Festkörper-Immersionslinse<br />
wurde Silizium mit einem Brechungsindex n von 3,5 gewählt.<br />
Mit diesem Mikroskop lässt sich eine Auflösung deutlich unter<br />
einer Wellenlänge erreichen. Abb. 2 zeigt ein Foto und das THz-<br />
Bild einer elektronischen Diebstahlsicherung. Während das Foto<br />
nur die undurchsichtige Plastikhülle zeigt, kann mit der THz-<br />
Strahlung in das Innere der Schaltung gesehen werden. Alle<br />
Metallteile erscheinen hell, die Kunststoffhülle ist für THz-<br />
Strahlung hingegen transparent. Die abgebildete Antennenstruktur<br />
hat etwa eine Breite von 200 µm, was etwa λ/3 entspricht.<br />
Abb. 1: Schematischer Aufbau des<br />
THz-Immersions-Mikroskops.<br />
Die THz-Strahlung wird mit einer<br />
hyperbolischen Linse auf die sphärische<br />
Festkörper-Immersionlinse (SIL)<br />
fokussiert. In der SIL ist die Wellenlänge<br />
um den Faktor n reduziert, was<br />
zu einer erheblichen Steigerung des<br />
Auflösungsvermögens führt.<br />
Abb. 2: Foto und THz-Bild<br />
(aufgenommen bei 470 GHz) einer<br />
elektronischen Diebstahlsicherung.<br />
Während das Foto nur die Plastikhülle<br />
zeigt, sieht man mit THz-Strahlung in<br />
das Innere der Schaltung.<br />
49
50<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2003/2004]<br />
Projekt:<br />
Vom Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Albert-Ludwigs-Universität<br />
Freiburg wurde in dem ebenfalls von der<br />
Landesstiftung <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong> gGmbH geförderten<br />
Projekt „Elektrisch gesteuerte Benetzung für adaptive Mikrolinsen“<br />
ein Einzellinsensystem mit einer elektrisch steuerbaren<br />
flüssigen Mikrolinse gefertigt und charakterisiert und im<br />
Februar 2005 abgeschlossen. Das Folgeprojekt „Adaptive<br />
Linsenarrays mit variablem Abstand“ stellt nun eine Erweiterung<br />
und Vertiefung dar. Ziel dieses neuen Projekts ist es, bei<br />
einem Array von flüssigen Mikrolinsen nicht nur die Brennweite<br />
der einzelnen Mikrolinsen, sondern auch deren Anzahl und<br />
Abstand zueinander zu steuern, sodass ein frei konfigurierbares<br />
Mikrolinsenarray vorliegt, welches flexibel an die verschiedensten<br />
Anwendungen anpassbar ist. Mögliche Anwendungsgebiete<br />
eines solchen frei konfigurierbaren Linsenarrays sind beispielsweise<br />
eine parallelisierte <strong>optische</strong> Pinzette für die Life<br />
Sciences, ein <strong>optische</strong>r Fasermatrixschalter für die Telekommunikationstechnik<br />
oder der Einsatz in einem adaptiven<br />
Wellenfrontsensor.<br />
Ausschreibung 2003/2004:<br />
Adaptive Optiken ohne mechanische Aktoren<br />
Adaptive Linsenarrays mit variablem Abstand<br />
Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg<br />
Sowohl für die Steuerung der Brennweite als auch des Linsenabstandes<br />
kommt der Effekt der Elektrokapillarität zum Einsatz.<br />
Die Linsen bestehen aus einer leitfähigen Flüssigkeit und werden<br />
mit einer Elektrode direkt kontaktiert. Die erforderlichen<br />
Gegenelektroden sind unter einer isolierenden Schicht vergraben<br />
und besitzen eine Form, welche die laterale Bewegung und<br />
Positionierung der flüssigen Linsen ermöglicht. Durch das<br />
geeignete Anlegen einer elektrischen Spannung an eine oder<br />
mehrere Gegenelektroden können die Linsen einzeln positioniert<br />
und in ihrer Brennweite gesteuert werden.<br />
In Erweiterung des technologischen Ansatzes wird das Substrat<br />
hierbei mit einer komplexen inneren Struktur versehen. Sämtliche<br />
Strukturen und Schichten sollen dabei aus transparenten<br />
Materialien bestehen, um das Element in Transmission betreiben<br />
zu können. Eine schematische Übersicht des Elements<br />
zeigt Abb. 1.
In einer ersten, 24 Monate andauernden Projektphase wird am<br />
Lehrstuhl für Mikrooptik des Instituts für Mikrosystemtechnik<br />
das steuerbare Mikrolinsenarray entwickelt und getestet.Die<br />
technischen Herausforderungen bestehen dabei zum einen im<br />
Design und in der Fabrikationstechnik des komplex strukturierten<br />
und völlig transparenten Substrates mit seinen vergrabenen<br />
Gegenelektroden.Neben transparenten Standardmaterialien<br />
wie Quarz und verschiedenen Polymeren kommt hierbei<br />
Indium-Zinn-Oxid (ITO), ein sowohl transparentes als auch leitfähiges<br />
Material, für die elektrischen Strukturen zum Einsatz.<br />
Eine weitere Herausforderung liegt in der Entwicklung eines<br />
hoch spezialisierten elektronischen Ansteuerungskonzeptes für<br />
das Element.Dieses muss die Tropfen-Bewegung und die<br />
Brennweiten-Steuerung mit hoher Ortsauflösung gestatten,<br />
wobei bekannte Matrix-Schaltungskonzepte wie etwa bei LCD-<br />
Displays aufgrund der verwendeten Materialien nicht eingesetzt<br />
werden können.Das Ansteuerungskonzept soll letztlich<br />
die Anzahl der erforderlichen Gegenelektroden gering halten.In<br />
einer anschließenden weiteren Phase ist geplant, die Anwendung<br />
des Elements in einem <strong>optische</strong>n Komplettsystem zu<br />
demonstrieren.<br />
Abb. 1: Schematische Darstellung<br />
des frei konfigurierbaren Mikrolinsenarrays.<br />
51
52<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2003/2004]<br />
Projekt:<br />
Die Industrie zeigt seit langem Interesse an adaptiver Optik,<br />
wie sie beispielsweise in Autofokus- bzw. Zoomsystemen benötigt<br />
wird. Derzeit werden Linsen mit fester Brennweite mechanisch<br />
entweder durch einen Tauchspulenantrieb über kleine<br />
Wegstrecken oder motorisch über längere Wegstrecken verschoben.<br />
In stark miniaturisierter Form sind Autofokussysteme<br />
mit Tauchspulenantrieb in CD-Spielern verwirklicht.<br />
Wünschenswert sind adaptive Systeme ohne mechanische<br />
Verstellvorrichtungen. Damit derartige adaptive Linsen in vielen<br />
industriellen Anwendungen eingesetzt werden können, sollen<br />
sie einen Verstellbereich von mehreren Dioptrien aufweisen.<br />
Der in diesem Projekt verfolgte Ansatz basiert auf einer Änderung<br />
der geometrischen Form von Linsen und Spiegeln. Die<br />
Formänderung wird über ein magnetisches Feld in Verbindung<br />
mit magnetischen Flüssigkeiten (Ferrofluide) gesteuert, wodurch<br />
nennenswerte Dioptrieänderungen realisierbar sind. Die<br />
äußere Form der adaptiven Linsen bzw. Spiegel ergibt sich aus<br />
dem Innendruck der Flüssigkeit in Verbindung mit einer vorgespannten<br />
Membran.<br />
Der prinzipielle Aufbau ist in folgender Abb. 1 dargestellt:<br />
Bewegte magn.<br />
Flüssigkeit<br />
Ausschreibung 2003/2004:<br />
Adaptive Optiken ohne mechanische Aktoren<br />
Magnetisch verstellbare Adaptive Linsen auf Basis<br />
von Nanopartikeln<br />
Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM)<br />
Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg<br />
Membran Flüssiglinse<br />
Magnetische Flüssigkeiten erhält man, indem magnetische<br />
Nanopartikel im Bereich von 2 bis 10 nm in wässrige, alkoholische<br />
oder organische Lösungen gebracht werden. Ein Benetzungsmittel<br />
verhindert, dass die Einzelpartikel miteinander verklumpen.<br />
Bereits um 1960 wurden von der NASA diese „Ferrofluids“<br />
mit dem Ziel entwickelt, Flüssigkeiten im schwerelosen<br />
Zustand einzuschließen. Verwendung finden sie heute im<br />
nicht<strong>optische</strong>n Bereich als Dichtmittel in Drehdurchführungen<br />
oder in hochwertigen Lautsprechersystemen.<br />
In Abwesenheit eines magnetischen Feldes sind die magnetischen<br />
Momente der Nanopartikel willkürlich orientiert und die<br />
Flüssigkeit zeigt keinerlei Magnetisierung. Beim Anlegen eines<br />
externen magnetischen Feldes orientieren sich die magnetischen<br />
Momente sofort entlang der Feldlinien; wenn das magnetische<br />
Feld abklingt, verteilen sich die Momente sehr schnell<br />
wieder willkürlich. In einem Gradientenfeld reagiert das gesamte<br />
Volumen wie eine homogene magnetische Flüssigkeit und<br />
formt sich entsprechend dem Feldlinienverlauf. Das Verhalten<br />
der magnetischen Flüssigkeit ist am besten mit dem Verhalten<br />
von Eisenfeilspänen im magnetischen Feld vergleichbar. Die<br />
Flüssigkeit kann von einem Magneten immer nur angezogen,<br />
jedoch niemals abgestoßen werden.<br />
Membran<br />
Ferrofluid-Aktor<br />
Linsengehäuse<br />
Abb. 1: Adaptive Membranlinse<br />
mit Aktor aus magnetischer Flüssigkeit<br />
(Querschnittskizze und geplante<br />
Realisierung).
Wesentliche Schlüsselelemente dieser adaptiven Linsen sind<br />
die äußere Membran und der Ferrofluid-Aktor.<br />
Als erfolgversprechendes und in Forschungslaboratorien vielfach<br />
untersuchtes Membranmaterial wird unter anderem<br />
PDMS (Polydimethylsiloxan) verwendet. PDMS ist optisch transparent,<br />
mechanisch extrem flexibel und gewährleistet den<br />
sicheren Einschluss von Flüssigkeiten. Verarbeitungsprozesse<br />
analog zur Dünnschichttechnik ermöglichen hohe Stückzahlen<br />
bei geringen Einzelkosten.<br />
Entsprechend dem Innendruck der Linsenflüssigkeit formt sich<br />
die Membran mehr oder weniger stark aus, wodurch unterschiedliche<br />
Brennweiten realisierbar sind. Diese Innendruckänderung<br />
erfolgt über den in Abb. 2 gezeigten hydraulischen<br />
Aktor.<br />
Membran<br />
Spulenwicklungen<br />
U-Kern Spalt<br />
Mumetallblech<br />
Magnetfeld<br />
Ferrofluid<br />
PMMA-Gehäuse<br />
Druckanschluss<br />
Doppelmembran<br />
Zur Vermeidung einer Kontamination der brennweitenbestimmenden<br />
Flüssigkeit der Linse mit den Nanopartikeln der<br />
magnetischen Flüssigkeit trennt eine zweite PDMS-Membran<br />
die beiden Flüssigkeiten voneinander. Mit der skizzierten<br />
Anordnung konnte bereits ein Druck von 900 Pa erreicht werden,<br />
wodurch ausreichende Form- und Brennweitenänderungen<br />
der Flüssiglinse möglich sind.<br />
Weitere Arbeiten konzentrieren sich auf die Optimierung des<br />
Aktors in Verbindung mit speziell ausgewählten magnetischen<br />
Flüssigkeiten.<br />
Es ist ein wesentliches Projektziel, industriell einsetzbare adaptive<br />
Linse bereitstellen zu können. Daher widmen sich wesentliche<br />
Arbeitspakete der <strong>optische</strong>n Charakterisierung der adaptiven<br />
Linse hinsichtlich Brennweitenvariation und der erreichbaren<br />
<strong>optische</strong>n Güte. Langzeitversuche mit zyklischer Aktivierung<br />
der Linsen und Membranen sollen Auskunft über die<br />
Lebensdauer geben.<br />
Das vorgestellte Prinzip und die zugehörigen Technologien<br />
erlauben es, Linsen mit einem Durchmesser bis zu 25 mm zu<br />
fertigen womit das Feld der klassischen 1-Zoll-Optik abgedeckt<br />
wird. Kleinere Linsen mit einem Durchmesser von wenigen<br />
Millimetern haben in Endoskopen ein hohes Anwendungspotenzial<br />
für die medizinischen Diagnostik und minimalinvasive<br />
Chirurgie.<br />
Abb. 2: Hydraulischer<br />
Ferrofluid-Aktor<br />
53
54<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2003/2004]<br />
Projekt:<br />
Ausschreibung 2003/2004:<br />
Adaptive Optiken ohne mechanische Aktoren<br />
Maßgeschneiderte hochdispersive Dünnfilmfilter<br />
für Laserscanning-Anwendungen<br />
Lichttechnisches Institut (LTI) der Universität Karlsruhe<br />
1. Motivation<br />
Zahlreiche Anwendungen der modernen Optischen Technologien<br />
erfordern das schnelle und präzise Ablenken von Laserstrahlen.<br />
Beispiele hierfür sind Laserscan-Verfahren in der<br />
Mess- und Sensortechnik und der Biophotonik, das dynamische<br />
Einstellen und Nachjustieren <strong>optische</strong>r Freiraumverbindungen<br />
in der <strong>optische</strong>n Kommunikationstechnik und die Strahlführung<br />
in laserlithographischen Applikationen.<br />
2. Projektziel<br />
Im Rahmen des Projekts „Maßgeschneiderte hochdispersive<br />
Dünnfilmfilter für Laserscanning-Anwendungen“ wird ein<br />
schnelles und präzises Laserstrahlablenksystem ohne mechanische<br />
Aktoren basierend auf einer Kombination von einem<br />
durchstimmbaren Laser, einer oder mehrerer neuartiger hochdispersiver<br />
Dünnfilmstrukturen und einer Mikrolinse entwikkelt.<br />
Hierzu wird der von photonischen Kristallen her bekannte<br />
„Superprisma“-Effekt auf wesentlich einfacher und kostengünstiger<br />
herstellbare Dünnfilmstrukturen übertragen.<br />
Abb. 1: Zwei mögliche Systementwürfe<br />
für Laserstrahlablenkung entlang einer<br />
Raumrichtung (1D) und Ablenkung<br />
im gesamten Halbraum (2D).<br />
Ausrichtelement<br />
Mikrolinse<br />
Elektrooptisch<br />
durchstimmbarer<br />
Diodenlaser<br />
Hochdispersiver<br />
Dünnschichtfilter<br />
Als Lichtquellen werden neuartige durchstimmbare Halbleiterlaserdioden<br />
eingesetzt. Diese Bauelemente erlauben eine<br />
Wellenlängenänderung auf einer Zeitskala von Nanosekunden.<br />
Durch Kombination dieser ultraschnellen Bauelemente mit den<br />
hier vorgeschlagenen Filterkonzepten kann damit eine ultraschnelle<br />
Laserablenkeinheit realisiert werden. Wie in Abb. 1<br />
gezeigt verlassen Laserstrahlen verschiedener Wellenlängen<br />
die räumlich dispersiven Dünnschichtfilter an verschiedenen<br />
Positionen. Nach Verlassen der Struktur breiten sich die Laserstrahlen<br />
wieder parallel aus. Eine Mikrolinse hinter der Struktur<br />
setzt den Strahlversatz der unterschiedlichen Wellenlängen in<br />
verschiedene Strahlausbreitungsrichtungen um.<br />
3. Umsetzung<br />
3.1. Simulationssoftware und erste Strukturen<br />
Die Vorarbeiten haben bereits eine Anzahl an generellen<br />
Design-Fragen geklärt [1, 2]. Die dort entwickelte Software zum<br />
Design von dispersiven Dünnschichtfiltern steht nun für das<br />
Projekt zur Verfügung. Es wird ein Ablenksystem mit einer<br />
Spiegel<br />
Elektrooptisch durchstimmbarer<br />
Diodenlaser<br />
Hochdispersive<br />
Struktur 2<br />
Mikrolinse<br />
Hochdispersive<br />
Struktur 1
Änderung des Scanwinkels von 50° über 10 nm Wellenlängenänderung<br />
angestrebt. Abb. 2 zeigt Messungen an Mehrschichtstrukturen<br />
mit denen bereits eine definierte Strahlverschiebung<br />
in Abhängigkeit von der Wellenlänge realisiert wurde.<br />
Austrittsposition in µm<br />
200<br />
100<br />
270<br />
240<br />
210<br />
0<br />
0<br />
830 835 840 840 860 880<br />
(a) Wellenlänge in nm (b)<br />
Wellenlänge in nm<br />
Austrittsposition in µm<br />
180<br />
150<br />
120<br />
90<br />
60<br />
30<br />
3.2. Technologie<br />
Die Technologie für die Herstellung der Filter mit einer hohen<br />
Anzahl von Schichten (typischerweise n > 200) mit der notwendigen<br />
Präzision von ca. 1 nm wird in diesem Projekt erarbeitet.<br />
Um eine präzise Herstellung nicht-periodischer Filter zu erreichen,<br />
muss die Schichtdicke während der Deposition in-situ in<br />
Echtzeit bestimmt und damit der Depositionsprozess aktiv<br />
geregelt werden. Basierend auf der vorhandenen Anlage zur<br />
Herstellung dielektrischer Schichten wird ein aktives Monitoring-System<br />
für das Materialsystem SiO2/Ta2O5 implementiert.<br />
Weiterhin muss die Mikrolinse entworfen und mit dem Filter<br />
integriert werden.<br />
3.3. Charakterisierung<br />
Zunächst soll ein Messplatz zur detaillierten Charakterisierung<br />
der Filter bezüglich des Strahlversatzes mit der Wellenlänge<br />
aufgebaut werden. Die Messung soll mit Hilfe eines durchstimmbaren<br />
Lasers erfolgen. Der Strahlversatz wird bestimmt,<br />
indem der Austrittspunkt des Laserstrahls aus dem Dünnfilmfilter<br />
über eine Teleskopoptik auf eine CCD-Kamera abgebildet<br />
wird. Bei Durchstimmen des Lasers kann nun die Strahlverschiebung<br />
mit der Wellenlänge experimentell gemessen werden.<br />
Anschließend werden die Änderungen der Strahlausbreitungsrichtung<br />
mit der Wellenlänge charakterisiert.<br />
Referenzen:<br />
Abb. 2: Experimentell gemessene<br />
Intensität als eine Funktion von<br />
Wellenlänge und Position auf der<br />
CCD-Kamera für 8 Reflektionen<br />
an einer 66-Schicht Struktur.<br />
(a) Lineare Verschiebung und<br />
(b) stufenförmige Verschiebung<br />
(normierte Intensität) [3].<br />
[1] M. Gerken and D. A. B. Miller, "Multilayer Thin-Film Structures<br />
with High Spatial Dispersion," Appl. Opt. 42/7 (2003), 1330-1345.<br />
[2] M. Gerken and D. A. B. Miller, "Wavelength Demultiplexer Using<br />
the Spatial Dispersion of Multilayer Thin-Film Structures,"<br />
Photonics Techn. Lett. 15/8 (2003), 1097-1099.<br />
[3] M. Gerken and D. A. B. Miller, "Multilayer Thin-Film Stacks with<br />
Step-Like Spatial Beam Shifting," J. Lightw. Techn. 22/2 (2004),<br />
612-618.<br />
55
56<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
[2003/2004]<br />
Projekt:<br />
Thermisch induzierte Veränderungen der Brechzahl und thermisch<br />
verursachte Verformungen und Spannungen in <strong>optische</strong>n<br />
Komponenten sind besonders bei Hochleistungslasern<br />
von großer Bedeutung und bereiten beim Streben nach bestmöglicher<br />
Strahlqualität erhebliche technische Schwierigkeiten.<br />
Besonders ausgeprägt sind diese Probleme bei Festkörperlasern<br />
mit stabförmigen oder prismenförmigen (Slab) Lasermedien,<br />
bei welchen die im Lasermedium erzeugte Verlustwärme quer<br />
zur Strahlausbreitungsrichtung abgeleitet wird. Die für die<br />
Wärmeabfuhr erforderlichen starken Temperaturgefälle im<br />
Medium führen zu sehr ausgeprägten, leistungsabhängigen<br />
<strong>optische</strong>n Störungen. Alleine die thermisch induzierte Brechkraft<br />
eines typischen Hochleistungsstablasers kann sich bei<br />
variierender Laserleistung in der Größenordung von 10 Dioptrien<br />
verändern.<br />
Einerseits erschwert diese enorme Variation der thermischen<br />
Linsenwirkung die Erzeugung von Laserstrahlung mit guter<br />
Qualität. Anderseits zeigt dieses Phänomen jedoch, dass mit<br />
der Ausnutzung thermischer Veränderungen <strong>optische</strong>r Materialien<br />
steuerbare adaptive Bauelemente realisiert werden können,<br />
deren Eigenschaften über die anderer Konzepte adaptiver<br />
Optiken hinausgehen. Die Brechkraft mechanisch verformbarer<br />
Hochleistungsspiegel, welche bisher in Laseranwendungen eingesetzt<br />
wurden, kann in der Regel nur in der Größenordnung<br />
von ±1 Dioptrien verändert werden. Durch Ausnutzung der<br />
thermisch induzierten Veränderung der Brechzahl in einer 0.4<br />
mm dünnen Schicht eines <strong>optische</strong>n Gels mit einem Durchmesser<br />
von 4 mm konnte demgegenüber eine Variation von bis<br />
zu 10 Dioptrien nachgewiesen werden. Dies wurde in früheren<br />
Arbeiten erfolgreich zur selbst-adaptiven Kompensation der<br />
thermisch induzierten Linsen in Nd:YAG-Stablasern eingesetzt.<br />
Das an der Universität Stuttgart erfundene und entwickelte<br />
Scheibenlaserkonzept zeichnet sich dadurch aus, dass die im<br />
Lasermedium anfallende Verlustwärme in Richtung der Laserstrahlachse<br />
abgeleitet wird. Da zudem die Anregung des Mediums<br />
innerhalb des Strahlquerschnitts äußerst homogen<br />
Ausschreibung 2003/2004:<br />
Adaptive Optiken ohne mechanische Aktoren<br />
Thermisch aktivierte Bauelemente für die<br />
adaptive Optik<br />
Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart<br />
Institut für Mikroaufbautechnik (IMAT) der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte<br />
Forschung e.V.<br />
Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart<br />
erfolgt, wirken sich die thermisch verursachten Brechungsindexveränderungen<br />
im Vergleich zu Stab- und Slab-Lasern wesentlich<br />
moderater aus. Nur am Rand des angeregten Querschnitts<br />
bildet sich eine mehr oder weniger scharfe, asphärische Stufe<br />
des <strong>optische</strong>n Weglängenunterschieds aus. Auf diesem Konzept<br />
beruhende Lasergeräte zeichnen sich durch eine um fast eine<br />
Größenordnung verbesserte Strahlqualität aus. Der genannte<br />
<strong>optische</strong> Weglängenunterschied am Rande des laseraktiven<br />
Querschnitts ist allerdings dafür verantwortlich, dass heute<br />
noch keine Scheibenlaser mit beugungsbegrenzter Strahlqualität<br />
im kW-Leistungsbereich verfügbar sind.<br />
Ziel des Projekts „Thermisch aktivierte Bauelemente für die<br />
adaptive Optik“ ist nun die Entwicklung thermisch aktivierter<br />
<strong>optische</strong> Bauelemente, welche die adaptive Kompensation des<br />
leistungsabhängigen Weglängenunterschieds in Scheibenlasern<br />
und damit die Erzeugung beugungsbegrenzter Hochleistungslaserstrahlen<br />
erlaubt. Im Gegensatz zu den oben genannten<br />
Stablasern ist für die Kompensation der thermischen<br />
Effekte keine sphärische Linsenwirkung erforderlich. Die zu entwickelnden<br />
Elemente sollen deshalb auch komplexere <strong>optische</strong><br />
Funktionen erfüllen können. Der Aufbau der Elemente besteht<br />
daher ähnlich wie das laseraktive Medium des Scheibenlasers<br />
Geformte<br />
Resonatormoden<br />
Thermisch<br />
adaptives Element<br />
Laser-<br />
Scheibe<br />
Abb. 1: Schematischer Aufbau eines<br />
Lasers mit dem thermisch adaptiven<br />
Element zur Kompensation der<br />
Aberrationen im laseraktiven Medium<br />
(hier: Scheibe) und zur gezielten<br />
Formung der Laserstrahlen.
aus einem dünnen <strong>optische</strong>n Scheibenelement und einer flächigen<br />
Kühlung in Richtung des <strong>optische</strong>n Strahlengangs.<br />
Die aktive Steuerung des <strong>optische</strong>n Bauelements erfolgt durch<br />
eine selektive Erwärmung des scheibenförmigen Elements.<br />
Letzteres ist entweder als Spiegel auf der Frontseite (Ausnutzung<br />
der thermischen Ausdehnung) oder auf der gekühlten<br />
Rückseite (Ausnutzung der thermischen Dispersion) beschichtet.<br />
Für die Wärmequellen werden dabei zwei Konzepte verfolgt. Im<br />
einen Fall handelt es sich um konzentrisch angeordnete Ringe<br />
von Heizwiderständen auf einem Schaltungsträger zwischen<br />
der Kühlung und dem Spiegelelement. Für die Kompensation<br />
der thermischen Aberrationen im Scheibenlaser ist diese kreissymmetrische<br />
Anordnung bereits ausreichend. Um eine größere<br />
geometrische Flexibilität zu erreichen, wird auch eine <strong>optische</strong><br />
Beaufschlagung des Spiegelelementes untersucht. Dabei<br />
wird durch eine örtliche Lichtmodulation das Element mit<br />
einem beliebig veränderbaren Muster beleuchtet und so selektiv<br />
erwärmt.<br />
In einer späteren Phase des Projekts sollen diese aktiv steuerbaren<br />
Elemente neben der Kompensation thermischer Störungen<br />
gezielt auch zur adaptiven Formung von Strahlen mit speziellen<br />
Intensitätsverteilungen (wie Ring-Moden, Super-Gauß-<br />
Moden, etc.) genutzt werden. Dabei wird das optisch adressierte<br />
Element besonders für die Erzeugung von nicht zylindersymmetrischen<br />
Strahlen geeignet sein.<br />
Das Vorhaben ist eine Kooperation zwischen dem Institut für<br />
Strahlwerkzeuge (IFSW), dem Institut für Mikroaufbautechnik<br />
(IMAT) und dem Institut für Technische Optik (ITO). Dabei werden<br />
die theoretischen und experimentellen Arbeiten zur <strong>optische</strong>n<br />
Strahlformung in Scheibenlaser-Resonatoren am IFSW<br />
durchgeführt und bilden eine natürliche Fortsetzung der hier<br />
seit zwei Jahrzehnten angesiedelten Laserentwicklung. Dem<br />
Design, der Finite-Elemente-Simulation und dem Aufbau der<br />
elektrisch heizbaren Spiegel widmet sich das IMAT und bringt<br />
damit seine essenziellen Kompetenzen in der Mikroaufbautechnik<br />
in das Vorhaben ein. Die Expertise auf dem Gebiet der<br />
<strong>optische</strong>n Materialien und der <strong>optische</strong>n Elemente werden<br />
durch das ITO vorwiegend im Bereich der optisch adressierbaren<br />
Spiegel eingebracht.<br />
In der gegenwärtigen Anfangsphase werden am IFSW die für<br />
die angestrebten Strahlformungen erforderlichen Phasenkorrekturen<br />
bestimmt, um die Spezifikationen für die aktiven<br />
Spiegel festzulegen. Aufgrund dieser Angaben analysiert das<br />
IMAT verschiedene Aufbaustrukturen der elektrisch heizbaren<br />
Spiegel und vor allem die dafür erforderlichen Verbindungstechniken.<br />
Am ITO liegt der Schwerpunkt derzeit bei der<br />
Evaluation der thermisch-<strong>optische</strong>n Materialeigenschaften der<br />
in Frage kommenden Medien für die optisch adressierbaren<br />
Spiegelelemente.<br />
Abb. 2: Berechnete typische<br />
Temperaturverteilung im elektrisch<br />
adressierten Bauelement (Rotationsachse<br />
am linken Rand der Grafik)<br />
bei Heizung mit einer einzigen<br />
Leiterbahn.<br />
57
58<br />
Wissenschaft & Forschung<br />
Mitglieder „Photonik-Zentrum“<br />
der Landesstiftung <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong><br />
Dr. Robert Bauer<br />
SICK AG, Waldkirch<br />
Prof. Dr. Karl-Joachim Ebeling<br />
Universität Ulm<br />
Dr. Andreas Ehrhardt<br />
Photonics BW e.V., Kompetenznetz Optische Technologien,<br />
Oberkochen<br />
Prof. Dr. Thomas Graf<br />
Universität Stuttgart, Institut für Strahlwerkzeuge<br />
Dr. Ehrentraud Graw<br />
Wirtschaftsministerium <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong><br />
Prof. Dr. Thomas Hellmuth<br />
Hochschule Aalen<br />
Roeland Hoogeveen<br />
Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst<br />
<strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong><br />
Berthold Hopf<br />
DaimlerChrysler AG, Sindelfingen<br />
Prof. Dr. Helmut Hügel<br />
Universität Stuttgart, Institut für Strahlwerkzeuge<br />
Dr. Heribert Knorr<br />
Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst<br />
<strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong><br />
Dr. Matthias Schenek<br />
Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst<br />
<strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong><br />
Dr. Cornelius Schinzel<br />
TRUMPF GmbH + Co. KG, Ditzingen<br />
Dr. Helmut Selbach<br />
Polytec GmbH, Waldbronn<br />
Dr. Augustin Siegel<br />
Carl Zeiss AG, Oberkochen<br />
Dr. Hans-Peter Trah<br />
Robert Bosch GmbH, Gerlingen-Schillerhöhe<br />
Dr. Armin Tschermak von Seysenegg<br />
Wirtschaftsministerium <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong><br />
Prof. Dr. Günter Weimann<br />
Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik, Freiburg<br />
Dr. Erich Zielinski<br />
Alcatel SEL AG, Stuttgart
Gutachter Förderprogramm<br />
„Forschung Optische Technologien“<br />
der Landesstiftung <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong><br />
Prof. Dr. Joachim Hesse<br />
ehem. Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik,<br />
Heinrich-Hertz-Institut (HHI), Berlin<br />
Prof. Dr. Wolfgang Karthe<br />
Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik<br />
(IOF), Jena<br />
Prof. Dr. Karsten König<br />
Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT),<br />
St. Ingbert<br />
Dipl.-Phys. Uwe Ortmann<br />
PicoQuant GmbH, Berlin<br />
Lothar Schmid<br />
München<br />
Dr. Werner Späth<br />
Holzkirchen<br />
Prof. Dr. Theo Tschudi<br />
Technische Universität Darmstadt,<br />
Institut für Angewandte Physik (IAP)<br />
Prof. Dr. Edgar Voges<br />
Universität Dortmund, Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik<br />
Prof. Dr. Horst Weber<br />
ehem. Technische Universität Berlin,<br />
Fakultät II - Optisches Institut<br />
59
LANDESSTIFTUNG<br />
<strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong> gGmbH<br />
Richard-Wagner-Straße 51<br />
70184 Stuttgart<br />
Telefon: +49(0)7 11.24 84 76 – 0<br />
Telefax: +49(0)7 11.24 84 76 – 50<br />
info@landesstiftung-bw.de<br />
www.landesstiftung-bw.de<br />
Die gemeinnützige Landesstiftung<br />
<strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong> ist die einzige<br />
bedeutende Stiftung, die in außergewöhnlicher<br />
Themenbreite dauerhaft,<br />
unparteiisch und ausschließlich in<br />
die Zukunft <strong>Baden</strong>-<strong>Württemberg</strong>s<br />
investiert – und damit in die Zukunft<br />
seiner Bürgerinnen und Bürger.