Lichtsteuerung im Mikromaßstab
Die Hochgeschwindigkeits-Laserabtastung (High-Speed-Laser-Scanning) hat Anwendung bei der Überwachung von bewegten Objekten, der Erfassung transienter Informationen dynamischer Prozesse und Beobachtung der Motilität von Biomolekülen gefunden. Auch das Scannen eines großen Gebiets in kurzer Zeit ist für atmosphärische Studien, geologische Untersuchungen und weitere Aktivitäten dieser Art grundlegend wichtig. Es sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, die höhere Abtastraten ermöglichen. Beispielsweise setzte man Galvanometerspiegel zur Strahllenkung ein. Die Abtastgeschwindigkeit solcher mechanisch abtastenden Spiegel ist auf ungefähr 100 Hz in 2D begrenzt. Rein optische Verfahren auf Basis akustooptischer Deflektoren haben jedoch die Mikrometerauflösung erreicht. Innerhalb des EU-finanzierte Projekts REALTIMEIMAGING (Real time imaging with near field focusing plates) wandten sich die Forscher digitalen Mikrospiegelbauelementen (Digital Micromirror Devices, DMD) zu. Diese Technik ist insbesondere für die Echtzeitbildgebung geeignet, da sie über tausende MEMS-Mikrospiegel (mikroelektromechanische Systeme) eine außergewöhnliche Steuerbarkeit bereitstellt. Durch räumliches Schalten des Lichts über Mikrospiegelarrays konnten die Forscher die digitalen Mikrospiegelbauelemente als digitale Reflexionslichtmodulatoren verwenden. Mit derartigen Bauelementen erreichte man 2D-Abtastgeschwindigkeiten bis zu 32,5 kHz für ein breites Spektrum an Wellenlängen sowie eine doppelt so hohe Beugungseffizienz im Vergleich zur üblicherweise eingesetzten Flüssigkristallanzeigetechnologie. Digitale Mikrospiegelbauelemente sind gleichermaßen in dispersiven Bildgebungssystemen verwendet worden, aber deren relativ geringe Energieeffizienz verursacht häufig Leistungseinschränkungen. Das REALTIMEIMAGING-Team war auf der Suche nach einer Alternative zur Subwellenlängen-Phasenmanipulation bei der Lichtsteuerung im Mikromaßstab in „Spaltplasmonenmetaflächen“ (Gap-Plasmon Metasurface, GPM). Die Forscher fertigten ein GPM-basiertes Gitter, das bei 1 550 nm arbeitet, um existierende Gitter in dispersive Bildgebungssystemen zu ersetzen. Die Messung des Leistungswirkungsgrads dieses Arrays von Einheitszellen ergab 75,6 %, und die Auflösung nach Einbau in das dispersive Bildgebungssystem erzielte bis zu 300 μm. Die Subwellenlängenmanipulation der Wellenfrontphase bei Infrarotwellenlängen öffnet die Tür zu einem breiten Spektrum von Telekommunikationsanwendungen. Das ist der Fall, da das vorgeschlagene Bauelement ebenflächig ist und es problemlos mit anderen Komponenten verknüpft werden kann, was eine grundlegend wichtige Eigenschaft in Bezug auf die zukünftige Miniaturisierung komplexer Systeme darstellt. Tatsächlich sind MEMS-Mikrospiegelarrays für die Strahlsteuerung durch individuelles Einstellen der Spiegelwinkel bereits eingesetzt worden, um in einem Zeitrahmen von 50 ns eine Abbildungsfläche von 5 mm x 5 mm zu realisieren. Die Einzelheiten sind in einer in dem Journal of Micro- and Nano-manufacturing publizierten wissenschaftlichen Arbeit beschrieben worden.
Schlüsselbegriffe
Subwellenlänge, Bildgebung, Bildverarbeitung Laserscanning, Laserabtastung, REALTIMEIMAGING, Digital Micromirror Devices, digitale Mikrospiegelbauelemente, MEMS, mikroelektromechanische Systeme