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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Emitter-Kontakt, einem Kollektor-Kontakt und einem Spalt, ein Netzwerk mit mehreren Vorrichtungen, ein System mit einer Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.
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Eine solche Vorrichtung kann zur quantitativen hochauflösenden Erfassung von sehr kleinen Bewegungen, Deformationen, Abstandsänderungen und Lageänderungen im Bereich weniger Nanometer und darunter verwendet werden. Solche Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik zahlreich bekannt.
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Beispielsweise sind einfache Vorrichtungen zur Messung kleinster Abstände mithilfe nano-optischer Wandler aus den Veröffentlichungen
DE 41 06 548 A1 ,
US 4 286 468 A ,
US 4 421 384 A ,
US 5 891 747 A und
DE 100 39 094 C1 bekannt. Sie nutzen vorwiegend das Prinzip der abstandsabhängigen Transmission von Photonen durch optisch totalreflektierende Grenzschichten. Der physikalische Hintergrund für diesen bekannten Effekt wird als evaneszentes elektromagnetisches Feld bezeichnet und ist dem Tunneleffekt an einer Potentialbarriere vergleichbar.
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Diese bisher bekannten Vorrichtungen haben vielfältige Nachteile in der Fertigung und der Dauerhaftigkeit, weshalb für eine Serienfertigung in großer Stückzahl erhebliche Weiterentwicklungen und Verbesserungen notwendig sind. Beispielsweise müssen dafür lichtleitende Fasern in geeignetem Winkel plangeschliffen, poliert und dann gegenüber montiert werden, wobei der gewünschte Spaltabstand geschaffen werden soll. Dies gelingt nicht mit der gewünschten Präzision und Reproduzierbarkeit.
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Die Nicht-Patent-Literatur „Nathan R. Huntoon, u.a: Integrated photonic coupler based on frustrated total internal reflection. Appl. Opt. Vol. 47, Nr. 30, S. 5682-5690 (2008)“ offenbart eine optische Schaltung mit einem Emitter-Kontakt, einem Kollektor-Kontakt und einem Spalt. Der Spalt ist derart beschaffen, dass am Spalt frustrierte innere Totalreflexion auftreten kann.
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Die weitere Nicht-Patent-Literatur „Kambiz Rahna-vardy, u.a: Investigation and application of the frus-trated-total-internal-reflection phenomenon in optical fibers. Appl. Opt. Vol. 36, Nr. 10, S. 2183-2187 (1997)“ offenbart einen Sensor, der einen Spalt aufweist, bei dem eine frustrierte innere Totalreflexion auftritt.
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Zudem ist aus der
US 2002/ 0 191 908 A1 ein optischer Schalter bekannt. Jedoch ist dort kein integrierter optischer Schalter offenbart, also ein Schalter, bei dem die optischen Bauelemente in einem Substrat untergebracht sind.
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In der
US 6 393 174 B1 ist ein optischer Schalter mit einem Eingabeelement und einem durchlässigen Element offenbart. Beide Elemente sind an einer Basis-platte angebracht. Dabei ist das durchlässige Element mittels eines Aktuators auf der Basisplatte verschiebbar ausgebildet.
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Die
US 6 433 911 B1 beschreibt ein Verfahren zum Modulieren von Licht, umfassend: Bereitstellen eines Lichtstrahls an einem optischen Substrat an einem Eingangsbereich; Zerlegen des Lichtstrahls in unterschiedliche Wellenlängen innerhalb des optischen Substrats; und Ausgeben von ausgewählten Wellenlängen der unterschiedlichen Wellenlängen, die sich innerhalb des optischen Substrats ausbreiten, mit mikroelektromechanischen Aktuatoren, die in einem Bereich des Substrats positioniert sind, um mit jeder der unterschiedlichen Wellenlängen zu interagieren.
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Außerdem ist in der
US 2002/ 0 048 423 A1 noch ein optischer Schalter gezeigt, der aus einem holographischen optischen Element (HOE) besteht, das über einer oberen Oberfläche eines Substrats angeordnet und relativ dazu beweglich ist. Hierbei durchläuft Licht das Substrat unter interner Totalreflexion, die ein evaneszentes Feld erzeugt, das sich über die reflektierenden Oberflächen des Substrats hinaus erstreckt.
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Auf der anderen Seite gibt es komplexe, auch in der räumlichen Ausdehnung recht große Systeme (ähnlich dem Atomic Force Microscope - AFM) zur Erfassung von kleinsten Strukturen mithilfe der Wechselwirkungen mit dem evaneszenten elektromagnetischen Feld. Diese erfassen z.B. kleinste räumliche oder flächige Strukturen über die Kraftwirkung im evaneszenten Feld auf kleinste Spitzen.
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Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung löst diese Aufgabe eine Vorrichtung zur Erfassung von sehr kleinen Bewegungen, Deformationen, Abstands- und Lageänderungen, wobei die Vorrichtung ein nano-optischen Element ist, mit einem Emitter-Kontakt zur Einkopplung eines Photonenstroms, der in der Vorrichtung beeinflusst und anschließend weiter benutzt wird, einem Kollektor-Kontakt zur Auskopplung eines transmittierten Photonen-stroms, der einen Rückschluss auf die zu erfassende Größe ermöglicht, und einem Spalt zwischen dem Emitter-Kontakt und dem Kollektor-Kontakt, wobei der Spalt so beschaffen ist, dass am Spalt frustrierte innere Totalreflexion auftritt, wobei die Vorrichtung als integrierte optische Schaltung ausgestaltet ist und wobei die Vorrichtung einen Spalt-Kontakt zum Steuern der optischen Spaltweite aufweist, wobei der Spalt-Kontakt derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der Spalt-Kontakt abhängig von einer Einwirkung auf diesen die optische Spaltweite steuert, nämlich
mittels mechanischer Änderung der geometrischen Spaltweite,
wobei der Spalt-Kontakt zur mechanischen Änderung der geometrischen Spaltweite Emitter-Kontakt seitig einen Träger mit einer Pyramidenspitze aufweist, welche Kollektor-Kontakt seitig von einem Kollektorring umgeben ist, und die geometrische Spaltweite zwischen der Pyramidenspitze und dem Kollektorring mittels Wirkung von Intensität und/oder Richtung von Photonenströmen zum Aufbau eines inhomogenen Photonenfeldes und damit eines Potentialfeldes zur Lagerung des Trägers und Manipulation des Pyramidenspitze änderbar ist, oder
wobei der Spalt-Kontakt zur mechanischen Änderung der geometrischen Spaltweite einen mit Gasen und/oder mit Flüssigkeiten gefüllten Fluidkanal aufweist, und die geometrische Spaltweite mittels Wirkung des hydrostatischen Drucks in dem Fluidkanal änderbar ist, und/oder
mittels brechungsoptischer Variation der optischen Spaltweite durch Variation des Brechungsindex am Spalt,
wobei der Spalt-Kontakt zur brechungsoptischen Variation der optischen Spaltweite einen als Fluid-kanal ausgebildet optischen Spalt aufweist, wobei in dem Fluidkanal Gase und/oder Flüssigkeiten eingebracht sind, und die optische Spaltweite mittels Änderung des Brechungsindexes der Fluidfüllung änderbar ist. Ein solcher Spalt wird im Folgenden als nano-optischer Spalt, die Vorrichtung als nano-optisches Element bezeichnet.
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Licht ist im Folgenden im erweiterten Sinne als elektromagnetische Strahlung mit optischen Eigenschaften zu verstehen und umfasst insbesondere auch die Infrarot- und Ultraviolettoptik.
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Der optische Spalt ist in Oberflächenstruktur und Spaltweite so beschaffen, dass im Grunde optische Totalreflexion auftritt, infolge des sehr geringen Abstandes aber dennoch eine teilweise Transmission des Photonenstroms stattfindet. Die Intensität der Transmission ist von nanoskopisch kleinen Änderungen in der Grenzflächenstruktur und in der Weite bzw. effektiven optischen Breite des Spaltes abhängig.
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Die einschlägigen Gleichungen für die Intensität des lokal transmittierten Photonenstroms in Abhängigkeit von Spaltgeometrie, Wellenlänge und Einstrahlungswinkel der Photonen bzw. der Photonenwelle sind als physikalisches Phänomen theoretisch grundsätzlich bekannt. Die Gleichungen für die Photonenstromdichte in Abhängigkeit von der Weite des wirksamen nano-optischen Spaltes sind zum Beispiel der Patentschrift
DE 10039094 CI zu entnehmen.
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Eine solche Vorrichtung kann zur quantitativen hochauflösenden Erfassung von sehr kleinen Bewegungen, Deformationen, Abstandsänderungen und Lageänderungen im Bereich weniger Nanometer und darunter sowie zur Erfassung von physikalischen und chemischen Größen, die mit solchen erfassbaren Änderungen in Beziehung stehen dienen.
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Die mit den Abstandsänderungen in Beziehung stehenden physikalischen und chemischen Zustände bzw. Größen sind beispielsweise Kräfte, Spannungen, Verzerrungen, Deformationen, Drücke oder Druckunterschiede, Temperaturen oder Temperaturunterschiede, Strahlungsdichten, physikalische Felder, chemische Konzentrationen, Volumenbeladungen in mikroporösen Strukturen, sterische Konformation von Molekülen bzw. stereo-chemische Unterschiede, Wirkungen chemischer Reaktionen in Molekülschichten, etc.
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Während der gesamte erfindungsgemäße Aufbau und insbesondere das Herstellungsverfahren im Vergleich zu früheren Veröffentlichungen fundamental abweichen, bleiben die physikalischen Verhältnisse der getunnelten Photonen-Transmission am nano-optischen Spalt unverändert bestehen. Die Erfindung ermöglicht indes infolge der erstmals geleisteten Integration der Bauteile eine industrielle Anwendung in großem Umfang und die globale Vermarktung der Technologie als nano-mechanooptischen Wandler bzw. Sensor.
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Durch die integrierte Bauweise wird eine Serienfertigung mit höchster Präzision und großer Stückzahl zu geringen Kosten möglich. Die Herstellung der prinzipiell ähnlichen, aber aus mehreren Teilen aufgebauten Vorläufer nano-optomechanischer Sensoren erfordert eine individuelle filigrane Anpassung und Kalibrierung. Erst die erfindungsgemäße Integration der Vorrichtung erlaubt eine Serienfertigung mit höchster Präzision zu günstigen Kosten, weil hierbei auf gut beherrschbare, aus der Mikroelektronik und Mikroelektromechanik bekannte Halbleitertechnologien zur Herstellung der Bauelemente zurückgegriffen werden kann.
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Neben der Anpassung der Konstruktion an die Erfordernisse einer hochpräzisen und hocheffizienten Fertigung, die Anpassung des Systems an die Anforderungen der hochpräzisen Messungen und Auswertungen ist die Integration der Systemelemente in kompakte mikroskopische Baugruppen, angepasst an die Forderungen der Smart System Integration, möglich.
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Vorzugsweise liegt die Größe der Vorrichtung im Bereich weniger Mikrometer. Damit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung deutlich kleiner als die bisher aus mehreren Bauteilen zusammengesetzten FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) Systeme.
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Sie weist bevorzugt einen Messbereich von Bruchteilen eines Nanometers bis zu wenigen Nanometern auf. So können kleinste Abstände und Abstandsänderungen erfasst werden. Auf Basis des nano-optischen Wandlerprinzips sind jedoch auch andere Größenverhältnisse darstellbar.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung verfügt im Systemschaltbild über mehrere Interfaces, die Kontakte: Den Emitter-Kontakt zur Einkopplung eines Photonenstroms, der in der Vorrichtung beeinflusst und anschließend weiter benutzt wird, und den Kollektor-Kontakt zur Auskopplung eines transmittierten Photonenstroms, der einen Rückschluss auf die zu erfassende Größe ermöglicht.
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Weiter von Vorteil ist, wenn die Vorrichtung einen Spalt-Kontakt aufweist. Dieser dient zur Einkopplung des zu erfassenden Signals, das den Kollektor-Photonenstrom beeinflusst.
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Der Spalt-Kontakt dient dem Input des sensorisch zu erfassenden bzw. weiterzuverarbeitenden Signals bzw. der entsprechenden physikalischen oder chemischen Größe, des Zustandes oder des Feldes. Dadurch steuert der Spalt-Kontakt die optische Spaltweite, sei es durch mechanische Änderung der geometrischen Spaltweite oder durch brechungsoptische Variation der optischen Spaltweite durch Variation des Brechungsindexes am Spalt. Der Spalt-Kontakt steuert so die optische Transmission am nano-optischen Spalt. Dadurch ändert sich die Transmission für eine bestimmte Wellenlänge. Bei Einstrahlung eines breiten Spektrums seitens des Emitters erfolgt somit eine wellenlängenabhängige Transmission. So gesehen wirkt der nano-optische Spalt im nano-optischen Element auch als optischer Filter.
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Das transmittierte Licht wird entweder aus dem opto-mechanischen System ausgekoppelt oder innerhalb des integrierten Systems erfasst und, wenn erforderlich, in ein Signal gewandelt oder es betreibt eine weitere beispielsweise nano-optische Systemeinheit im Sinne eines integrierten zumindest teilweise opto-mechanischen Schaltkreises.
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So wird der nano-optisch aktive Spalt in ein Gesamtsystem eingebettet. Dieses schließt folgende Schritte ein: die Zuführung des Photonenstroms am Emitter-Kontakt, die Abführung des transmittierten Photonenstroms am Kollektor-Kontakt sowie die Anordnung der Signalwandlung am Spalt-Kontakt, die ursprünglich die zu detektierenden Veränderungen der optischen Spaltbreite im nano-optisch aktiven Spalt verursacht.
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Der Spalt kann mit Luft oder Vakuum gefüllt sein. Der Spalt kann auch aus einem Material mit geringerem Brechungsindex bestehen wie transparentem Feststoff. Alternativ kann der Spalt auch mit einem flüssigen Medium befällt sein. Dadurch kann die effektive optische Spaltbreite variiert werden.
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Weiter können durch geeignete Dotierung die Licht leitenden Bereiche an den Seiten des Spalts dotiert sein. Dadurch können die Lichtleiter beiderseits des Spalts integriert werden. Von Vorteil ist, wenn die Vorrichtung sensorische Eingänge am Spalt-Kontakt aufweist. Diese Einbettung, vorzugsweise auf einem einzigen Chip, dient der Systemintegration.
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Die Vorrichtung kann weiter einen Vorsprung aufweisen. Dieser kann als Lichteinkoppler und/oder Lichtauskoppler verwendet werden.
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Vorteilhaft ist, wenn die Vorrichtung mechanische Aussparungen aufweist, die so angeordnet sind, dass sie eine Änderung der Spaltweite erleichtern. So können beispielsweise Kavitäten oder Lamellen vorgesehen sein, die die Deformation erleichtern.
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Vorteilhafterweise wird als Licht leitendes Material ein anisotropes Material verwendet. Um in der Licht leitenden Schicht einen möglichst fokussierten Lichtstrahl zu erhalten, kann einerseits eingangsseitig mit gebündeltem Licht gearbeitet werden, andererseits bieten sich hier anisotrope Materialien an, sodass durch eine anisotrope Lichtleitung parallel zur Orientierung eine bestmögliche Lichtbündelung erhalten wird. Solche Materialien haben zudem den Vorteil, dass bei der Herstellung im Schichtaufbau auf eine spätere Justierung, wie sie beim Einsatz von integrierten Lichtwellenleitern gegebenenfalls nötig wäre, verzichtet werden kann.
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Aus der Struktur des Bauelements kann weiteres Material abgetragen werden, um durch Kavitäten oder eine Lamellenstruktur eine höhere Empfindlichkeit einzustellen.
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Von Vorteil ist, wenn die Vorrichtung am Spalt eine Gitter-Matrix aufweist.
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Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung eine Messspitze aufweisen. Hierbei werden der Spalt und die Messspitze so angeordnet, dass sich eine Auslenkung der Messspitze auf die Spaltbreite auswirkt. Dadurch wird eine Messung der Auslenkung der Messspitze möglich.
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Die Vorrichtung kann eine Druckkammer aufweisen. Diese wird ebenfalls so angeordnet, dass eine Änderung des Druckes eine Änderung der Spaltweite verursacht. So wird über die Spaltweite eine Druckmessung möglich.
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In beiden Formen der Kraftmessung wird mittels mechanischer kraftabhängiger Deformation die geometrische Spaltweite selbst deformiert und dadurch die optische Spaltweite für gegebene Wellenlängen geändert. Dabei ist die geometrische Struktur der Vorrichtung so gewählt, dass mechanische Kräfte in geeignete reversible Änderungen am nano-optischen Spalt umgesetzt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst ein Netzwerk mit mehreren Vorrichtungen, wobei das Netzwerk in ein Bauteil integriert ist. Die Vorrichtungen können lineare Elemente z.B. in Form von Fasern sein, die zu Netzwerken verbunden werden können. Eine bevorzugte Anwendung dieser faserförmigen Vorrichtungen beinhaltet sensorische Bereiche an definierten Stellen, die eine Erfassung mechanischer Deformationen und/oder Belastungen an diesen Bereichen ermöglichen. Nach Integration dieser nano-optischen Fasern in Bauteile, z.B. in lasttragende Teile von Flugzeugen, kann über das nano-optische Netzwerk die räumliche und zeitliche Verteilung der Belastung und Deformation erfasst werden. Dies erlaubt eine genaue Analyse der Materialbelastung bis hin zur frühzeitigen Erfassung beginnender Materialschäden im nanoskopischen Bereich wie feinste Risse oder Versetzungen im Nanometerbereich und darunter.
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Hierbei kann der optische Spalt als Fluidkanal ausgebildet sein. In dem spaltförmigen Kanal können Gase und/oder Flüssigkeiten eingebracht werden. Die Änderungen des Brechungsindexes der Fluidfüllung in den Spaltbereichen erzeugt eine Änderung der effektiven optischen Spaltbreite. Dies ermöglicht eine Analyse der optischen Eigenschaften der Flüssigkeit oder eine Anpassung der Eigenschaften der Vorrichtung an bestimmte Aufgaben.
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In einer solchen Anordnung kann grundsätzlich auch die Wirkung des hydrostatischen Drucks auf die Deformation der spaltförmigen Kanäle erfasst werden, weil sich dadurch die geometrische Spaltbreite, abhängig von der mechanischen Steifigkeit der Kanalkonstruktion, ändert. Im Grenzfall ist auch eine Membranbauweise möglich.
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Allgemein betrachtet werden sich bei solchen Anordnungen Änderungen in den optischen Eigenschaften des Fluidums und Änderungen in der räumlichen Ausdehnung des optisch wirksamen Spalts überlagern.
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Es können drei oder vorzugsweise sechs Vorrichtungen zur Bestimmung der sechs Koordinaten der räumlichen Orientierung einer Messspitze eines Scanning- Nanoskops verwendet werden.
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Das nanoskopische Bild entsteht durch Abtasten des Objekts mittels dieser sensorischen Spitze. Die Vorrichtungen erlauben die Erfassung der drei translatorischen und der drei rotatorischen Komponenten des Positionsvektors, der die sensorische Spitze beschreibt. Damit ist eine hochgenaue und sehr zuverlässige Erfassung der Position der sensorischen Spitze mit geringstem Rauschen darstellbar. Die Überlegenheit dieses nano-optischen 3D-Nanoskops zeigt sich in der Auflösung und in der Reproduzierbarkeit sowie in der Freiheit, die Wechselwirkung zu wählen, die letztlich das Bild erzeugt.
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Eine im räumlichen Aufbau dem 3D-Nanonskop ähnliche Ausführung nutzt die Möglichkeit, die sensorische Erfassung des Raumvektors zur Manipulatorspitze mit einem bestimmten separaten Wellenlängenbereich durchzuführen, während ein anderer davon unabhängiger Wellenbereich ein optisches Strahlungsfeld erzeugt, das die Positionierung des Nanomanipulators ermöglicht. Hierbei handelt es sich also um die Kombination einer opto-mechanischen Positionierung mit einer nano-optischen Positionsmessung.
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Unter der Voraussetzung einer im Detail geeigneten Konstruktion des Systems kann die Manipulatorspitze allein opto-mechanisch gelagert werden, also frei im inhomogenen optischen Strahlungsfeld schweben. In einer besonders bevorzugten Ausführung ist eine Rückkopplung vom Signal der nano-optischen Positionssensoren auf die Intensität des opto-mechanischen Strahlungsfeldes integriert, sodass die Position der Manipulatorspitze mit einfachen Steuerbefehlen gesteuert und stabilisiert werden kann. Auf Grundlage des 3D-Nanomanipulators kann eine Vorrichtung zur Materialbeeinflussung und/oder Materialbearbeitung angebracht werden. Dabei kann die Bearbeitung mit höchster Genauigkeit im Nanometerbereich durchgeführt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein System mit einer Vorrichtung, wobei es mindestens ein opto-mechanisches und/oder elektronisches und/oder photonisches und/oder elektromechanisches Element aufweist. Opto-mechanische Aktuatoren beispielsweise ermöglichen die Integration zusätzlicher aktuatorischer Funktionen. Opto-mechanische Aktuatoren wandeln optische Felder in mechanisch wirksame Größen, insbesondere in Kräfte bzw. in mechanisch wirksame Potentialfelder um. Die opto-mechanische Potentialerzeugung selbst ist von der optischen Pinzette (z.B. Ashkin 1990) bekannt. Erfindungsgemäß ist die Integration solcher opto-mechanischer Aktuatoren in ein nanooptomechanisches System.
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Das System kann eine emitterseitige Lichtquelle aufweisen. Auch kann das System einen kollektorseitigen Lichtsensor aufweisen.
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Das System kann weiter einen Wandler aufweisen. Dabei kann es sich um vorgeschaltete Wandler, die eine Abstandsänderung z.B. im Nanometerbereich verursachen als auch um nachgeschaltete Wandler, die den transmittierten Photonenstrom nutzen, um eine weitere Wandlung durchzuführen, z.B. in elektronische Signale (z.B. mittels photoelektrischem Effekt) oder in chemische Signale (z.B. mittels photochemischem Effekt, wie Farbumschlag).
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, wobei zunächst auf Grundlage eines Licht leitenden Materials ein Zwischenträger aufgebracht wird, dann eine weitere Schicht Licht leitenden Materials aufgebracht wird und schließlich ein Teil des Zwischenträgers wieder entfernt wird. Dabei werden Verfahren der Halbleitertechnologie verwendet, insbesondere eine geeignete Schichtung im Rahmen einer Multilayer-Struktur. Das hochgenaue Auftragen definierter Schichten mit definierten Brechungsindizes ist aus der Halbleitertechnologie bekannt, z.B. Epitaxie, Technologien der gezielten Dotierung und Technologien des physikalischen und oder chemischen Ätzens und des physikalischen oder chemischen Bondens. Erfindungsgemäß können auf diese Weise totalreflektierende Spaltschichten hergestellt werden. Durch eine hochpräzise Fertigung können die geforderten Genauigkeiten erreicht werden.
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Vorteilhaft ist ein Verfahren, bei dem zwischen die leitenden Materialien eine lichtundurchlässige Schicht aufgebracht wird und teilweise wieder entfernt wird.
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Dabei kann das Material in einem nachgelagerten Schritt abgetragen werden.
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Schließlich kann ein Vorsprung angebracht werden. Dieser kann als Lichteinkoppler und/oder Lichtauskoppler dienen.
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Der Spalt kann durch selektives Ätzen geätzt werden. Dabei können sowohl physikalische als auch chemische Ätzverfahren Anwendung finden.
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Von Vorteil ist, wenn der Spaltbereich aus geeignet modifiziertem Material gebildet wird, das einem Ätzen einen geringeren Widerstand entgegensetzt als der nach dem Ätzen stehenbleibende Randbereich, auf dem sich der Spalt aufstützt.
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Alternativ oder kumulativ kann der Spalt durch Aussparen einer mittleren Schicht im Bereich des Spalts und in einem nachgelagerten Schritt durch Bonden der Deckschicht gebildet werden.
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Insgesamt bestehen die Grenzschichten aus feinsten und sehr glatten Schichten mit geeigneten optischen Eigenschaften. Die Form der Lichtleiter ist an die Strahlgeometrie und an die Wahl der Brechungsindizes im Lichtweg angepasst.
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Von Vorteil ist ein Verfahren, bei dem mehrere Vorrichtungen als ein Stück produziert werden und dieses Stück dann in kleinere Stücke mit jeweils mindestens einer einzelnen Schaltung zerschnitten wird. So wird eine Serienfertigung möglich.
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Ein letzter Aspekt der Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zur Messung mit einer Vorrichtung, wobei ein Referenzphotonenstrom abgezweigt und gemessen wird. Dieser kann beispielsweise bei einer integrierten Lichtquelle als Emitter von diesem abgezweigt werden. Der Referenzphotonenstrom ist zum Photonenstrom des Emitters proportional. Das nicht abgezweigte Licht treibt den Photonenstrom am Emitter-Kontakt der Vorrichtung an.
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Das Herstellungsverfahren ist auf herkömmlichen Fabrikationsanlagen für Halbleiterbausteine und/oder mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) durchführbar. Die Herstellung solcher MEMS-Bausteine ist prinzipiell vielfältig bekannt und beschrieben. So beschreibt die
DE 10029012 C2 den Aufbau und die Herstellung solcher Strukturen für elektrisch leitfähige Substrate, ohne dabei auf die Anwendbarkeit für optisch leitende Materialien einzugehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Hierin zeigen:
- 1 den schematischen Aufbau eines nano-optischen Elements,
- 2 das Funktionsschaltbild eines nano-optischen Elements,
- 3 ausgehend von 2 ein um einen Wandler erweitertes Schaltbild,
- 4 ausgehend von 3 ein um Photoneninput und -output erweitertes Schaltbild,
- 5 ausgehend von 4 ein erweitertes Schaltbild in dem ein Referenzphotonenstrom abgezweigt wird,
- 6 ausgehend von 5 ein erweitertes Schaltbild, wobei ein Strahlungsfeld als Quelle des sensorischen Inputs dient,
- 7 den prinzipiellen mehrschichtigen Aufbau eines nano-optischen Elements,
- 8 eine Abwandlung des Aufbaus aus 7,
- 9 den grundsätzlichen Aufbau des nano-optischen Elements in einer linearen, faserartigen Ausgestaltung,
- 10 ein Netzwerk aus nano-optischen Elementen, hier faserartig ausgeführt wie in 9 dargestellt,
- 11 eine räumliche Struktur mit mehr als einem nano-optischen Element,
- 12 den Querschnitt durch eine Anordnung wie 11,
- 13 die Anordnung aus 11, ergänzt durch ein integriertes System zur opto-mechanischen Lagerung und Manipulation der Spitze,
- 14 das schrittweise Verfahren zur Herstellung eines nano-optischen Bauelements in Multilayer-Struktur,
- 15 den Herstellungsprozess eines schichtweisen Aufbaus,
- 16 eine 3-D Ansicht mehrerer als ein Stück produzierter Vorrichtungen,
- 17 a bis d verschiedene Ausführungen des nano-optischen Elements,
- 18 a bis e weitere Ausführungen des nano-optischen Elements,
- 19 ein nano-optisches Element mit einer Messspitze,
- 20 ein nano-optisches Element mit einer Druckkammer.
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Das nano-optische Element 1 in 1 besteht aus einem vorwiegend kompakten Material 2, z.B. einem Lichtleiter oder Halbleiter, der unter Umständen aus mehreren teilweise unterschiedlichen Bereichen oder mehreren Schichten besteht. Weiter weist es einen lichtleitenden Bereich 3 auf, der ausgehend vom Emitter-Kontakt 4 einen Photonenstrom zum totalreflektierenden Spalt 5 führt. Der für Licht zumindest teilweise totalreflektierende Spalt 5 wird durch zwei vorwiegend parallele Grenzflächen 6 und 7, die im Allgemeinen zweidimensionale Hyperflächen des dreidimensionalen Raumes sind, gebildet. Der Spalt muss nicht eben sein.
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Das nano-optische Element 1 weist zudem einen lichtleitenden Bereich 8 auf, der einen transmittierten Photonenstrom vom Spalt 5 zum Kollektor-Kontakt 9 führt. Ein veränderliches Element 10 bewirkt eine Variation der effektiv wirksamen optischen Spaltbreite im Spalt. Die effektive Distanz, die der Spalt 5 im Bereich des effektiven Lichtdurchtritts aufweist, ist eine Funktion der geometrischen Distanz, der Strahlwinkel
und der Brechungsindizes.
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2 zeigt als Funktionsschaltbild ein nano-optisches Element. Dieses zeigt das nano-optische Bauelement 11 als kompakten Chip. Am Emitter-Kontakt 13 wird der Photonenstrom 15 eingespeist. Der Lichtleiter 12 leitet diesen vom Emitter-Kontakt 13 zum nano-optisch aktiven Spalt 14. Am Spalt beeinflusst die Einwirkung 16 auf den Spalt-Kontakt 17 die effektive Spaltbreite und damit den transmittierten Photonenstrom. Der Lichtleiter 18 wiederum leitet den transmittierten Photonenstrom vom Spalt 14 zum Kollektor-Kontakt 19. Schließlich verlässt der Photonenstrom 20 den Kollektor-Kontakt 19.
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3 zeigt das Schaltbild in 2 um folgende Elemente erweitert: ein Wandler 21 zur Erzeugung der Veränderung der effektiven Spaltbreite im Spalt 14 bei sensorischem Input 22 auf den Wandler21, zum Beispiel Kraft, Druck und die Quelle 23 des sensorischen Inputs, zum Erfassen des Feldes, Objekts, Zustands, etc.
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4 zeigt das Schaltbild wie 3, erweitert um folgende Elemente: den Photoneninput 24, z.B. die Lichtquelle oder den Anschluss an einen vorhergehenden, insbesondere als Wandler von Energie in Photonen mit geeigneten Strahleigenschaften für den Betrieb des nano-optischen Elements, den Energiestrom 25 zum Antrieb des Photonenerzeugers bzw. Photonenwandlers, die Energiequelle 26, den Photonenoutput 27, z.B. als photoelektrisches Element oder als Input in den nachfolgenden Emitter-Kontakt, insbesondere als Wandler des Photonenstroms in einen sensorischen Output, den Informationsstrom 28 und gegebenenfalls auch Energiestrom vom Output-Wandler zum Empfänger 29 des sensorischen Outputs.
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5 zeigt das Schaltbild wie 4, erweitert um folgende Elemente: den Referenzphotonenstrom 30 zur Kalibrierung und Messung des transmittierten Photonenstroms 18 am Kollektor-Kontakt 19. Dies beinhaltet einen teilweisen Abgriff einer proportionalen Photonenstromdichte aus dem Photonenstrom 15 am Emitter-Kontakt 13 und die Einkopplung dieses photonischen Signals in den Wandler 27 zur Bestimmung der relativen Transmission am Spalt 14 anhand des messbaren Photonenstromes am Kollektor 19. Dadurch werden die Vorrichtung und das System unabhängig von der Qualität der Stabilisierung des Photonenstroms in den Emitter.
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6 zeigt das Schaltbild wie 5, erweitert um folgende Elemente: als Quelle des sensorischen Inputs dient ein Strahlungsfeld 31. Der Wandler 32 erzeugt daraus die variable Spaltbreite und diese moduliert entsprechend den transmittierten Photonenstrom 18 am Kollektor 19. Dieses Schaltbild ähnelt dem eines Transistors, wobei beim Transistor an Stelle des Spalt-Kontaktes 17 der Basiskontakt als Steuerkontakt ausgelegt ist, ohne Integration des nano-optischen Wandlers.
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Der Spaltkontakt 17 kann über ein photonensensitives Element, den Wandler 32, gespeist werden, das in Abhängigkeit vom Photonenstrom oder von einer Strahlungsdichte eine Veränderung der optischen Spaltbreite im nano-optischen Wandler bewirkt. In diesem Fall können für die Steuerung des Spalt-Kontaktes 17 Photonenfelder unterschiedlicher Art verwendet werden, unabhängig von der Art des Photonenfeldes, das den Emitter-Kontakt 13 speist.
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Damit unterscheidet sich ein auf diese Weise aufgebauter nano-optischer Phototransistor grundsätzlich von einem herkömmlichen Transistor. Beim herkömmlichen Transistor sind die Feldtypen am Emitter-Kontakt und am Basiskontakt identisch, z.B. beide sind elektronischer Natur. Beim nano-optischen Transistor kann z.B. der Feldtyp am Emitter-Kontakt 13 im Bereich des Infrarotlichts oder des sichtbaren Lichts liegen, der Feldtyp am nano-optischen Spalt-Kontakt 17 kann unabhängig davon ein hochenergetisches Strahlungsfeld sein, z.B. kosmische Strahlung, Röntgenstrahlung, etc. oder ein niederenergetisches Strahlungsfeld, z.B. Radiowellen, Mikrowellen, etc.
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Grundsätzlich ist es nach diesem allgemeinen Aufbau auch möglich, Wandlertypen am Spalt-Kontakt 17 vorzuschalten, die eine bisher nicht bekannte Form eines physikalisch-chemischen Feldes erfassen und in kleinste Änderungen der optischen Spaltbreite am nano-optischen Spalt umwandeln können. Dies beinhaltet insbesondere die Möglichkeit, mit Hilfe des integrierten nano-optischen Wandlers physikalische und chemische Zustände, Felder und Größen zu erfassen (z.B. quantitativ oder qualitativ), die bisher mit anderen Methoden und Vorrichtungen nicht erfassbar waren.
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7 zeigt den prinzipiellen mehrschichtigen Aufbau eines nano-optischen Elements 41. Dieses besteht vorwiegend aus einem massiven Block 42 geringer Größe, zum Beispiel aus Halbleitermaterial oder einem anderen geeigneten Material, vorzugsweise aus mehreren unterschiedlichen Ebenen (sogenanntes Multi-Layer). Weiter weist es einen dotierten Bereich 43 auf, der insbesondere durch Dotierungen die geeignete Form und die lichtleitenden Eigenschaften des Emitters erhält. Der Spalt 44 ist entweder ohne festes Material ausgestaltet, evakuiert oder mit einem Fluidum gefüllt. Der Spalt bildet zum Beispiel einen Kanal und wird insbesondere im Zuge des schrittweisen Schichtaufbaus erzeugt.
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Das nano-optische Element 41 weist einen weiteren dotierten Bereich 45 auf, der insbesondere durch Dotierung die geeignete Form und die Licht leitenden Eigenschaften des Kollektors erhält.
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Die Abstandsschicht 46, bestehend aus zumindest einem massiven Bereich, wird in ihrer Dicke durch Einfluss der zu ermittelnden Größen, Zustände oder Felder beeinflusst.
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Der schrittweise Schichtaufbau kann auch physikalisches Ätzen, chemisches Ätzen und Bonden enthalten.
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8 zeigt eine Abwandlung des Aufbaus aus 7. Bei diesem nano-optischen Element 51 besteht der Spalt 54 nicht aus einem leeren oder gasgefüllten Raum (der einen Brechungsindex von ungefähr 1,0 hätte), sondern aus einer festen Schicht mit geeignetem, vorzugsweise sehr niedrigem Brechungsindex. Die Dicke dieser Schicht kann sich z. B. durch Beeinflussung ändern, indem sich die geometrische Dicke ändert und/oder auch die optische Dicke sich über dem Brechungsindex ändert. In dieser Ausführung sind keine Kanäle zur Erzeugung des Spaltes erforderlich. Die Distanzschicht selbst wirkt in diesem Fall als nano-optischer Spalt. Ansonsten bleibt das nano-optische Element 51 im Aufbau gleich oder ähnlich. Es handelt sich ebenfalls um einen massiven Block 52 mit 2 dotierten Bereichen, einem Emitter 53 und einem Kollektor 55.
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9 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines nano-optischen Elements 61 in einer faserartigen vorzugsweise linearen Ausgestaltung. Auch dieses besteht aus einem vorwiegend kompakten Material 62, das hier als umschließender Mantel ausgeführt ist, dieses ist jedoch insbesondere im Bereich des nano-optischen Spalts elastisch und/oder plastisch deformierbar. Der Licht leitende Bereich 63 ist hier als Kernfaser ausgeführt, die ausgehend vom Emitter-Kontakt 64 einen Photonenstrom zum total reflektierenden Spalt 65 führt.
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Die Elastizität und Plastizität von Kernfaser 63 und Faserhülle 62 wird so abgestimmt, dass Deformationen der gesamten Faserstruktur zu einer Änderung der opto-mechanischen Spaltbreite führen. Die Erfassung des dadurch veränderlichen Photonensignals dient dann der Analyse der mechanischen Deformationen, die zur Deformation des nano-optischen Spaltes geführt haben.
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Der für Licht zumindest teilweise total reflektierende Spalt 65 wird durch zwei vorwiegend plan parallele Grenzflächen, die im Allgemeinen zweidimensionale Hyperflächen des dreidimensionalen Raumes sind, begrenzt. Der Spalt 65 muss dabei nicht eben sein. Der Licht leitende Bereich 63, hier ausgeführt als Kernfaser, führt einen transmittierten Photonenstrom weiter vom Spalt 65 zum Kollektor-Kontakt 66. Die Weite des Spaltes 65 in der Kernfaser 63 ändert sich, sobald eine Deformation des Mantels 62 auftritt. Die Deformation kann elastisch und/oder plastisch sein.
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10 zeigt ein Netzwerk 71 aus nano-optischen Elementen, die hier faserartig ausgeführt sind wie in 9 gezeigt und beschrieben. Dieses Netzwerk weist mehrere nano-optische Elemente 72, 73, 74, 75, 76 und 77 auf. Diese sind über Lichtleiter 78 mit dem Photoneninput 79 verbunden, der die Bauelemente versorgt. Den nano-optisch aktiven Spalten 80, 81, 82, 83, 84 und 85 wird eine Raumposition zugeordnet.
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Ein weiterer Lichtleiter 86 führt von den nano-optischen Bauelementen zu einer Kollektorzentrale 87 oder zu mehreren Kollektoren, die mit Zuordnung zu deren Raumposition ausgewertet werden.
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Eine solche oder gleichwertige Anordnung erlaubt z. B. die räumliche Analyse von Spannungen, Deformationen und Materialschäden.
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11 zeigt eine räumliche Struktur 91 mit mehr als einem nano-optischen Spalt in der Ausführung mit mehr als einem nano-optischen Element. Nur zwei der vier Spalte zeigen nach vorne und sind sichtbar.
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Dafür weist es einen gemeinsamen Träger 92 für die emitterseitigen Grenzflächen mehrerer nano-optischer Elemente auf. Dabei werden die Emitter 93 und 93' über den Lichtweg 94 und 94' versorgt. Die nano-optischen Elemente 95 und 95' werden an definierten Stellen gebildet, indem die emitterseitigen und kollektorseitigen Grenzflächen angenähert werden.
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Lichtleiter 96 und 96' führen von den nano-optischen Elementen zu den Kollektoren 97 und 97', die z. B. mit Zuordnung zu der Raumposition ausgewertet werden können. Diese Ausführungsform kann beispielsweise einen ringförmigen Träger 98 aufweisen, der die kollektorseitigen Grenzflächen aufweist.
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Beispielhaft kann eine Pyramidenspitze 99 im emitterseitigen Träger gestaltet sein, deren Position relativ zum kollektorseitigen Gegenstück erfasst werden kann.
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Die Grenzflächen der nano-optischen Spalte 95 und 95', stehen in bekannter fester räumlicher Anordnung zueinander, zum Beispiel durch Anbringung in einem gemeinsamen Träger 92 mit z.B. pyramidenförmiger Spitze 99. Die Spitze 99 ist umgeben von einem umfassenden Kollektorring 98. Aus der vernetzenden Auswertung der transmittierten Photonenströme 96 und 96' an den mehreren Kollektoren 97 und 97' kann auf die Relativposition des Trägers 92 und der Spitze 99 geschlossen werden. Die Zuordnung von Emittern 93 und 93' in das Mittelstück des Trägers 92 mit Spitze 99 und den Kollektoren 97 und 97' in das Ringstück 98 kann auch umgekehrt erfolgen, d. h. das Ringstück 98 kann auch mit Emittern 93 Mittelstück 92 und entsprechend mit Kollektoren 97 ausgestattet sein oder alternierend.
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12 zeigt den Querschnitt durch eine Anordnung 91 wie in der 11 dargestellt mit vier nano-optischen Spalten, von denen erneut zwei 95 und 95" sichtbar sind. Hierbei trägt das Mittelstück als gemeinsamer Träger 92 die Emitter 93 und 93", das Ringstück 98 trägt die Kollektoren 97 und 97". Die Figur zeigt in der Schnittebene zwei der vier nano-optischen Elemente jeweils mit Emitter, Spalt und Kollektor 93, 95, 97 bzw. 93", 95", 97" sowie den beiden Kollektorstrahlen 96' und 96''' in der zur Schnittebene senkrechten Ebene.
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Weiter ist eine totalreflektierende Facette 100 in den kollektorseitigen Ring 98 integriert, um eine Ablenkung des Photonenstroms an die Kollektoren 97 und 97" zu bewerkstelligen.
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13 zeigt die beispielhafte Anordnung aus 11, ergänzt durch ein integriertes System zur optomechanischen Lagerung und Manipulation der Spitze. Dabei sind Photonenstrahler 101, 101', 101" und 101''' zum Aufbau eines inhomogenen Photonenfeldes und damit eines Potentialfeldes vorgesehen, das die Lagerung des Trägers 92 und die Manipulation der Spitze 99 ermöglicht. Dargestellt sind Photonenströme in der Schnittebene und in der dazu senkrechten Raumebene. Die Erfassung der Position der Spitze 99 erfolgt durch Auswertung der transmittierten Photonenströme 96, 96', 96" und 96'''.
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Die Rückkopplung der Position auf die Intensität und/oder die Richtung der Photonenströme 101, 101', 101" und 101''' ermöglicht die gezielte Manipulation der Spitze 99 relativ zur Position des Ringteils 98 im dreidimensionalen Raum.
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14 zeigt das schrittweise Verfahren zur Herstellung eines nano-optischen Bauelements mit nano-optischem Spalt in multi-layer Struktur. Dabei zeigt 14 a) eine erste Schicht 111 als Basis für den Aufbau, in 14 b) ist auf diese die Kollektorschicht 112 aufgebaut. In 14 c) wird der kollektorseitige Licht leitende Bereich 113 hergestellt. In 14 d) erfolgt der Aufbau der Spaltschicht 114. Falls mit einem Spaltkanal gearbeitet wird, kann dieser Schritt aus mehreren Teilschritten bestehen, einschließlich dotieren, ätzen etc. In 14 e) wird die Emitterschicht 115 aufgebaut. In 14 f) wird der emitterseitige Licht leitende Bereich 116 hergestellt. In 14 g) wird der Schichtaufbau durch eine weitere Basisschicht 117 abgeschlossen.
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Dabei können im Rahmen der Erfindung vielfältige Variationen des Verfahrens zum Aufbau der Multi-Layer-Struktur vorgenommen werden. Insbesondere können Bereiche mit Gradientenindex integriert werden, z.B. mittels aufeinanderfolgender dünner Schichten. Weiter kann die Reihenfolge des Schichtaufbaus umgedreht werden und mit dem Emitter begonnen werden. Schließlich können auch Emitterseite und Kollektorseite zunächst getrennt aufgebaut werden und dann unter Bildung des Spalts gebonded bzw. anderweitig zusammengefügt werden.
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Auch 15 zeigt ein mögliches, vorteilhaft schichtweises Herstellverfahren eines nano-optischen Elements. Auf Grundlage eines nichtleitenden Materials 121 (15 a) kann optional eine lichtundurchlässige Schicht 122 aufgebracht werden, beispielsweise durch Bedampfen (15 b). Diese Schicht 122 wird wie in 15 c) dargestellt wieder teilweise freigesetzt, idealerweise als Raster oder Matrix-Gitter 123, beispielsweise durch Fräsen oder Ätzen.
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Um die Spaltgeometrie herzustellen, wird ein Zwischenträger 124 darüber beschichtet (15 d) und eine weitere Schicht eines Licht leitenden Materials 125 wird aufgetragen (15 e).
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Durch geeignete Methoden wie Ätzen wird dann ein Teil des Zwischenträgers 125 entfernt, sodass ein Spalt 126 entsteht (15 f).
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Wie in 15 g) dargestellt können durch optionales Abtragen von Material eine Lamellenstruktur erstellt werden oder Kavitäten wie 127 und 128 hergestellt werden. Abschließend können ein Lichteinkoppler 129 und ein Lichtauskoppler 130 für den senkrechten Lichtaustritt angebracht werden.
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In 16 ist ein im Querschnitt in 15 h) dargestellter nano-optischer Waver 120 dreidimensional dargestellt. Hierbei ist ersichtlich, dass er in Längsachse fortlaufend produzierbar ist und entsprechend in einzelne Bauelemente geschnitten werden kann. Auch dieser weist alle Bestandteile auf: Auf Grundlage des Licht leitenden Materials 121 ist eine lichtundurchlässige Schicht 122 teilweise in Form eines Gitters 123 aufgebracht. Darüber sind teilweise der Zwischenträger 124 sowie der Spalt 126 angeordnet. Nach oben wird der Schichtaufbau erneut durch eine weitere Schicht Licht leitenden Materials 125 abgeschlossen. Das Licht leitende Material weist auf beiden Seiten sowohl Kavitäten 127 und 128 als auch Vorsprünge als Lichteinkoppler 129 und Lichtauskoppler 130 auf.
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Die 17 zeigt verschiedene Ausführungen des nano-optischen Elements. Dabei zeigen die 17 a) und b) nano-optische Elemente in Blockbauweise, wohingegen die 17 c) und d) nano-optische Elemente in Faserbauweise zeigen.
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Beim nano-optischen Element 131 in 17 a) wird der Lichtweg im Licht leitenden Material 132 durch die Pfeile 133 und 134 veranschaulicht. Dabei tritt das Material an Stelle 131 in das lichtleitende Material 132 ein und wird zunächst an einer totalreflektierenden Facette 135 erstmalig reflektiert und dadurch in Richtung zum Spalt 136 abgelenkt.
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Das am Spalt 136 transmittierte Licht wird dann an einer zweiten totalreflektierenden Facette 137 erneut umgelenkt und verlässt den Lichtleiter 132 in Richtung des Pfeils 134.
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Bei dem nano-optischen Element 141 in 17 b) hingegen erfolgt die Einkopplung des Lichtes in den Lichtleiter 142 mit Hilfe eines Lichteinkopplers 143. Das Licht tritt über den Lichteinkoppler 143 in den Lichtleiter 142 ein, wird am Spalt 147 totalreflektiert und allein der transmittierte Photonenstrom setzt sich im Lichtleiter fort und wird durch den Lichtauskoppler 144 aus dem Lichtleiter ausgekoppelt. Dabei geben die Pfeile 145 und 146 und die sich dazwischen ersteckende Linie den Lichtweg an.
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Bei dem nano-optischen Element 151 aus einem Lichtleiter 152 ist der optische Spalt 153 in Form eines Würfels 154 eingesetzt. Wieder geben die Pfeile 155 und 156 das eintretende und das transmittierte Licht an.
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In dem lichtleitenden Element 161 in 17 d) ist der Spalt 162 in den Lichtleiter 163 integriert. Auch hier geben die Pfeile 164 und 165 das eintretende und das transmittierte Licht an.
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Die 18 zeigt beispielhafte Ausführungen für den Schichtaufbau nano-optischer Elemente im Blockaufbau bis hin zur Ausdünnung der Lagerung an der Biegezunge.
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Dabei zeigt 18 a) ein nano-optisches Element 171 bestehend aus einem einteiligen Lichtleiter 172, der einen Spalt 173 aufweist.
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Das nano-optische Element 181 in 18 b) besteht im Gegensatz dazu aus zwei Lichtleitern 182 und 183, wobei der obere Lichtleiter 183 eine Aussparung aufweist, durch die der Spalt 184 gebildet wird.
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In 18 c) wird ein Licht leitendes Element 191 dargestellt. Dieses weist zwischen zwei unterschiedlichen Lichtleitern, dem unteren Lichtleiter 192 und dem oberen Lichtleiter 193, eine Zwischenschicht 194 auf, die als Platzhalter für den Spalt 195 dient. Diese Zwischenschicht kann entweder nur teilweise aufgebracht werden oder durch Ätzen des Spaltes wieder entfernt werden.
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18 d) zeigt eine Ausführungsform des nano-optischen Elements 201, in dem sowohl der untere Lichtleiter 202 als auch der obere Lichtleiter 203 durch eine Aussparung 204 teilweise ausgedünnt sind. Dies führt zu einer leichteren Verformbarkeit der beiden Lichtleiter 202 und 203. Eine Änderung der Spaltweite des Spaltes 205 wird erleichtert. Dies erhöht die Sensibilität des nano-optischen Elements 201. Auch das nano-optische Element 201 weist eine Zwischenschicht 206 auf.
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Beim nano-optischen Element 211 in 18 e) ist der obere Lichtleiter 213 zwar einstückig ausgestaltet, der untere Lichtleiter 202 ist jedoch zweistückig in ein linkes Stück 203 und ein rechtes Stück 204 unterteilt. Diese Stücke sind nur durch eine Verbindungsschicht 205 verbunden. Dadurch wird die Stabilität des unteren Lichtleiters 202 gegen Verbiegungen deutlich herabgesetzt und die optische Spaltweite ist dadurch leichter veränderbar, was die Messgenauigkeit erhöht. Der optische Spalt 206 wird wieder mithilfe einer Zwischenschicht 207 gebildet.
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19 zeigt einen nano-optischen Mikroskopsensor in Fühlerform 221.
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Auch dieser besteht aus zwei Lichtleitern, dem unteren Lichtleiter 222 und dem oberen Lichtleiter 223. Dazwischen befindet sich der mit einer Zwischenschicht 224 gebildete nano-optische Spalt 225. Zudem weist der untere Lichtleiter 222 eine Mess-spitze 226 auf. Die Pfeile 227 und 228 mit der dazwischen befindlichen gestrichelten Linie geben den Lichtweg an. Das Licht wird bei Pfeil 227 in das nano-optische Element eingekoppelt und an der totalreflektierenden Grenzfläche an der Stelle 229 das erste Mal umgelenkt. An der Kavität 230 erfolgt keine Umlenkung, sondern der Lichtweg setzt sich einfach bis zum Spalt 125 fort. Das an diesen transmittierte Licht wird nun erneut an der totalreflektierenden Außenseite 230 des oberen Lichtleiters 223 umgelenkt und verlässt das nano-optische Element an der Stelle des Pfeiles 228.
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Dabei dient die Kavität 231 der leichteren Verbiegbarkeit der Messspitze 226 und erhöht somit die Sensibilität der Messanordnung. Wird eine Kraft auf die Spitze 226 ausgeübt, ändert sich die Weite des nano-optischen Spalts 225, was zu einer Änderung der Intensität des transmittierten Photonenstroms führt.
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20 zeigt schließlich einen Drucksensor mit einem nano-optischen Spalt. Der Drucksensor 241 besteht ebenfalls aus einem unteren Lichtleiter 242 und einem oberen Lichtleiter 243. Während der optische Spalt 244 im unteren Lichtleiter 242 gebildet wird, weist der obere Lichtleiter 243 eine Druckkammer 245 auf. Diese ist durch eine Zwischenschicht 246 vom nano-optischen Spalt im unteren Lichtleiter 242 getrennt. Erneut geben die Pfeile 247 und 248 das in das nano-optische Element eintretende Licht und das aus diesem austretende transmittierte Licht wieder. Die gestrichelte Linie dazwischen zeigt den Lichtweg. Dieser verläuft bis zum optischen Spalt 244 gerade. Das von diesem transmittierte Licht wird dann an einer Facette 249 durch Totalreflexion umgelenkt und verlässt das nano-optische Element 241 an der Stelle des Pfeils 248.
