Optische Systeme. Inhalte der Vorlesung. Inhalte der Vorlesung

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1 Inhalte der Vorlesung 8. Optische Systeme Martina Gerken Grundlagen der Wellenoptik. Abbildende optische Systeme 3. Optische Messtechnik 3. Spektroskopie 3. Materialcharakterisierung 3.3 Entfernungsmessung 3.4 Winkelmessung 3.5 Optische Maus 4. Optische Materialbearbeitung 5. Optik in der Datenspeicherung 6. Mikro- und Nanooptische Systeme Universität Karlsruhe (TH) Inhalte der Vorlesung 8.3 Charakterisierung von Lichtquellen Spektroskopie 3.. Spektroskopie mittels Absorptionsfiltern 3.. Grundlagen zur Dispersion, Brechung (englisch: refraction) 3..3 Prismenspektrometer - Ausnutzen von Dispersion, Brechung 3..4 Grundlagen zu Interferenz und Beugung (englisch: diffraction) - Interferenz - Kohärenz - Beugung - Gitter und Spalt - Geblazte Gitter 3..5 Gitterspektrometer, Monochromator Ausnutzen von Beugung Zeichnen Sie das beobachtete Spektrum einer Glühlampe Leuchtstofflampe Welche Unterschiede gibt es zwischen dem beobachteten Spektrum und dem realen Spektrum?

2 Czerny-Turner Monochromator 8.5 Czerny-Turner Monochromator 8.6 Rotation des Gitters bewegt die Maxima der verschiedenen Wellenlängen relativ zum Austrittsschlitz F. Quelle: Auflösungsvermögen eines Gitterspektrometers 8.7 Auflösungsvermögen eines Gitterspektrometers 8.8 Das Auflösungsvermögen eines Gitterspektrometers wird durch folgende Faktoren bestimmt: Auflösungsvermögen des Gitters Breite des Eingangsspaltes Breite des Ausgangsspaltes bzw. Pixelung des Detektors Abberationen der Spiegel oder Linsen Qualität der Komponenten und ihre Anordnung Diese Faktoren können durch Funktionen P i charakterisiert werden. Einfluss der obigen Faktoren auf die Linienbreite einer monochromatischen Lichtquelle (Linienverbreiterung): Das aufgenommene Spektrum R ergibt sich aus der Faltung des realen Spektrums S mit einer Funktion P, die die Linienverbreiterung durch das Spektrometer beschreibt. R = S P Das Linienverbreiterung P kann als Faltung von einzelnen Termen geschrieben werden, die jeweils den Einfluss der verschiedenen Faktoren auf die Linienverbreiterung beschreiben. P = P P P3 In der Regel ist die Breite des Eingangsspaltes für die Auflösung des Spektrometers bestimmend. Reales Spektrum einer monochromatische Lichtquelle Aufgenommenes Spektrum mit einem idealen Spektrometer Quelle: Aufgenommenes Spektrum mit einem realen Spektrometer

3 Auflösungsvermögen eines Gitterspektrometers 8.9 Échelle Spektrograph 8.0 Der Einfluss der Eingangs- und Ausgangsspalte auf die Linienverbreiterung ergibt sich über die Faltung des Bildes des Eingangsspaltes auf dem Ausgangsspalt mit dem Profil des Ausgangsspaltes Prisma für Dispersion in einer Richtung Gitter für Dispersion orthogonal dazu Spektrograph mit Standard Prisma Im Regelfall ist der Detektor sehr fein gepixelt, so dass λ entscheidend ist. Quelle: Quelle: Spektrograph mit patentiertem Prisma von Andor Auflösung Prisma und Gitter 8. Dispersion Prisma und Gitter 8. Auflösungsvermögen Beim Prisma wird kurzwelliges Licht (blau) stärker abgelenkt als langwelliges (rot) normale Dispersion Beispiel bei 550nm Reflexionsgitter Prisma 00 Furchen/mm Glas SF Breite 60mm dα dλ= 6 0 nm λ = 7000 λ 4 n =, 79 b= 60 mm, α = 60 dn dλ = 0 4 dδ dλ= 4,5 0 nm λ = 000 λ nm 4 Bei der Beugung an Spalten oder Gittern ist es genau umgekehrt (Randbem.: Diesen Effekt nutzt man z.b. um die chromatische Abberation von Linsen auszugleichen)

4 Inhalte der Vorlesung 8.3 Absorptionsspektroskopie 8.4. Grundlagen der Wellenoptik. Abbildende optische Systeme 3. Optische Messtechnik 3. Spektroskopie 3. Materialcharakterisierung 3.3 Entfernungsmessung 3.4 Winkelmessung 3.5 Optische Maus 4. Optische Materialbearbeitung 5. Optik in der Datenspeicherung 6. Mikro- und Nanooptische Systeme Konzentrationsmessung unter Verwendung des Lambert-Beerschen Gesetzes Annahme: Konzentration N 0 im sei im Nachweisvolumen räumlich homogen verteilt σ ist Absorptionsquerschnitt Quelle: Absorptionslaserspektroskopie 8.5 Beispiel: Gasanalyse 8.6 Wellenlänge wird mit abstimmbarem Laser durchgefahren Höhere Wellenlängenauflösung möglich Kontinuierliches insitu Monitoring von CO und O bei gepulster Brennstoff- Eindüsung Quelle: Quelle:

5 Interferenzspektroskopie 8.7 Antireflexschichten 8.8 Dient der Charakterisierung dünner optischer Schichten d =? n(λ) =?, k(λ) =? Ist Kohärenzlänge des Lichtes länger als Schichtdicke, treten Interferenzeffekte auf Antireflexschicht nutzt destruktive Interferenz in Reflexion Für T=00%: R =R und λ/-versatz n(λ) sub Spektral aufgelöste Messung der Intensität von transmittierter oder reflektierter Strahlung Auswertung der Interferenzen ergibt Schichtdicke und komplexen Brechungsindex Brechzahl n und Absorptionskoeffizient k sind abhängig von Wellenlänge Quelle: Antireflexschicht-Berechnung 8.9 Ideale Antireflexschicht für Glas 8.0 Berechnung π-phasensprung (entspricht λ/) bei Reflexion vom optisch dünneren zum optisch dichteren Material Amplitudenreflexionskoeffizient (aus. Vorlesung) r θ = 0, i, i+ ni = n i n + n i+ i+ Übergang von Luft (n=,0) zu Glas (n=,5) bei 0 Ideale Antireflexschicht für λ=633 nm n Ar =, und d Ar =30 nm 97 Ohne -Schicht 00 Mit idealer -Schicht Dünnste Antireflexschicht für λ und 0 : n0 n n + n 0 = n n n + n s s λ n = n0 n s d = m + d = m = 0; ; ;... (Ordnung) n 4 n T=00 % nur für bestimmte Wellenlängen Mehrschichtige Antireflexschichten für größeren Wellenlängenbereich λ

6 MgF - Antireflexschicht für Glas 8. Schichten mit höherem Index auf Glas 8. Übergang von Luft (n=,0) zu Glas (n=,5) bei 0 MgF - Antireflexschicht für λ=633 nm n MgF =,38 und d MgF =5 nm Bei Wellenlängen mit konstruktiver Interferenz in Reflexion entspricht der Transmissionsgrad dem von Glas Schichtaufbau: Luft (n=,0) 500 nm Schicht mit n=,55 Glas (n=,5) Rechnung bei 0 Schichtaufbau: Luft (n=,0) 500 nm Schicht mit n=,5 Glas (n=,5) Rechnung bei (Stimmt nicht exakt mit Realität überein, da n MgF als konstant angenommen.) Interferenzspektroskopie: Bestimmung der Ordnung 8.3 Interferenzspektroskopie: Bestimmung von d 8.4 Sehr gut anwendbar bei Transmissionsspektren, die von einer Absorptionskante bis in den transparenten Bereich eines Materials reichen und klar erkennbare Interferenzen zeigen Transmission Dicke d für konstantes n aus λ und m berechnet Für Schichten mit höherem Index als Substrat gilt: und λ nd = m λ nd = m + Minima Maxima 0. λ λ m m Wellenlänge in nm Zunächst Ordnung eines Minimums weit weg von der Absorptionskante bestimmen mit λ m = λ ( m + ) m λ = λ λ Transmission Wellenlänge in nm Brechungsindex kann über Transmissionsgrad der Minima ebenfalls berechnet werden 4

7 Gruppenarbeit: Schichtdicken bestimmen 8.5 Einsatzbereich der Interferenzspektroskopie 8.6 Berechnen Sie die Schichtdicke der Proben aus dem Spektrum! In welchem Wellenlängenbereich absorbieren die Proben? Schichten müssen ausreichend (optisch) dick sein (Richtwert nd > 300 nm), um einige Interferenzextrema zu zeigen Methode versagt beim Auftreten von schmalen Absorptionsbanden im Bereich der Messung Methode nicht geeignet für Schichten mit starker Absorption, wenn deshalb die Extrema nicht mehr klar erkennbar sind Alternative Methode: Ellipsometrie Messung des Polarisationszustands von an der Oberfläche reflektierter Strahlung, auch unter Veränderung des Winkels Dielektrischer Spiegel 8.7 Bragg-Spiegel 8.8 Basiert auf Interferenz an mehreren dünnen Schichten Insbesondere interessant für Hochleistungsanwendungen, da geringe Absorption möglich Bragg-Spiegel: Periodischer Schichtaufbau Phasensprung λ/ bei Reflexion vom optisch 3 dünneren zum optisch dichteren Material GaAs-AlAs-Braggspiegel auf einem GaAs-Substrat d GaAs = 6 nm und n GaAs =3.5 d AlAs =73 nm und n AlAs =.9 Reflexionsgrad bei senkrechtem Einfall aus Luft für 4, 0 und 30 Perioden ( Face-Change ) d n d n d n λ 0 = dn = dn 4 Konstruktive Interferenz von + (wie bei einzelner Schicht) Konstruktive Interferenz von +3: λ λ n λ L= dn + = + =λ n

8 Herstellung von Dünnfilmen durch Elektronenstrahlverdampfen Rezipient Druck ca. x 0-6 mbar (vgl. Raumdruck: bar) Substrat, das mit einem Dünnfilm beschichtet werden soll. 8.9 Präzision der aufgedampften Schichtdicken Schichten, die mit dem Elektronenstrahlverdampfen hergestellt werden sind z.b. 70 nm Tantalpentoxid (Ta O 5, n =,) und 60 nm Siliziumdioxid (SiO, n =,45). Beschichtet man das Substrat nacheinander immer wieder mit diesen zwei Schichten, dann erhält man einen dielektrischen Spiegel für die Wellenlänge 500 nm: 8.30 e - Durch einen Elektronenstrahl wird dem Material im Liner Energie zugeführt. Das Material schmilzt, verdampft nach oben hin und bildet einen dünnen Film auf der Substratoberfläche. Das Material wird dabei lokal ca. 000 C warm. Der Liner wird währenddessen mit einer Wasserkühlung gekühlt, damit die Anlage nicht mitschmilzt. λ = 500 nm Transparenter, dielektrischer Spiegel aus SiO und Ta O 5 Glassubstrat Die Dicke der einzelnen Schichten muss genau passen, sonst reflektiert der Spiegel nicht die gewünschte Wellenlänge! 8.3 Bestimmung der Schichtdicke durch Transmissionsmessung Insitu-Monitoring der Schichtdicke 8.3 Halogenlampe = Weißlichtquelle Substrat Halogenlampe = Weißlichtquelle Glasfaser Dünnfilmfilter auf einem Glassubstrat Spektrometer Wenn wir das Transmissionsspektrum bereits während der Herstellung messen, dann können wir damit die aufgedampfte Schichtdicke kontrollieren! Spektrometer PC e - Aufbau: Das Weißlicht wird über Kollimatorlinsen in eine Glasfaser eingekoppelt. Die Glasfaser leitet das Licht in den evakuierten Rezipienten und auf das Substrat. Hinter dem Substrat wird das transmittierte Licht wieder in eine Glas- Faser eingekoppelt und zum Spektrometer geleitet.

9 Univex Elektronenstrahlsystem am LTI 8.33 Insitu-Monitoring der Schichtdicke 8.34 Substrat Halogenlampe = Weißlichtquelle Auswertung: z.b. jede Sekunde wird ein Transmissionsspektrum der Schicht aufgenommen. e - Das Spektrum wird mit dem berechneten Soll-Spektrum der gewünschten Schicht verglichen. Spektrometer PC Wenn das Soll-Spektrum erreicht ist, wird das Aufdampfen beendet. Beispiel für insitu-monitoring 8.35 Andere Methoden der Materialcharakterisierung 8.36 Minimum Maximum Hier haben wir nur zwei Methoden der optischen Materialcharakterisierung diskutiert Absorptionsspektroskopie Interferenzspektroskopie (Transmission, Reflexion) (Abbildende Charakterisierung im Mikroskop-Teil) Transmission Wellenlänge in nm Anmerkung: Wenn kein Polarisationsfilter verwendet wird, erhält man eine Überlagerung der Transmissionsspektren von TM- und TE-polarisiertem Licht. Es gibt noch zahlreiche andere Methoden Raman-Spektroskopie Fluoreszenzspektroskopie Photolumineszenzspektroskopie Pump-Probe-Spektroskopie Fotomodulierte Reflexionsmessungen Elektromodulierte Reflexionsmessungen Ausnutzung nichtlinearer Effekte

10 Fragensammlung 8.37 Wie kann ich das Spektrum einer Lichtquelle charakterisieren? Wie funktioniert ein Czerny-Turner Monochromator? Welche Faktoren limitieren die Auflösung eines Spektrometers? Welcher dieser Faktoren ist in der Regel entscheidend? Wie setzt sich die Linienverbreiterung durch das Spektrometer aus den Einflüssen der einzelnen Faktoren zusammen? Geben Sie das Auflösungsvermögen eines Gitters an? Was ist ein Échelle Spektrograph? Was ist Absorptionsspektroskopie? Was ist Interferenzspektroskopie? Wie müssen Brechungsindex und Schichtdicke für eine Antireflexschicht gewählt werden? Skizzieren Sie das Transmissionsspektrum einer MgF -Schicht (n=,38) auf Glas! Bei zwei gegebenen Spektren für Schichten auf Glas: Welche hat den höheren Brechungsindex? Welche hat die größere Dicke? Worauf basiert die Reflexion eines Bragg-Spiegels? Skizzieren Sie ein System für insitu Schichtdicken-Monitoring