Logo PTB
Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Strahlungsdruckmessung im Piconewtonbereich mit einem Mikro-Opto-Elektro-Mechanischen System

20.12.2018

Die quantitative und In-line-Bestimmung der Leistung eines Lasers spielt in der Laserfertigung eine wichtige Rolle. Aufgrund des einfachen Prinzips und der einfachen Anwendung hat die Methode der Messung der Laserleistung durch Messung des Strahlungsdrucks eines Laserstrahls immer mehr Interesse gefunden. Dies erfordert im Gegenzug ein Kraftmessverfahren, das einen großen Bereich abdeckt, andererseits aber auch eine Auflösung bis hinunter zu Pikonewton für Laserleistungen im mW-Bereich aufweist.

Schwache und ultra-schwache Kräfte im Sub-Piconewton-Bereich sind auch in anderen Forschungsbereichen von großer Bedeutung, z. B. in der Rasterkraftmikroskopie (AFM) an Molekülen und bei Bindungen, der ultraflachen Nanoindentation bei dünnen Schichten, der optischen Pinzette und der Manipulation von Mikro- und Nanopartikeln und der Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen verschiedenen Metamaterialien.

Das Mikro-Opto-Elektro-Mechanische System (MOEMS) kann in zwei Betriebsarten verwendet werden. Im Normalmessmodus, in dem der eingebaute kapazitive Sensor verwendet wird, hat der MEMS-Kraftsensorprototyp die folgenden Eigenschaften

• eine Steifigkeit von 5 N/m, einen Aktorverschiebebereich von 10 μm
• einen Kraftmessbereich von 50 µN und
• eine quasistatische Kraftauflösung von 1 nN

Im Hochauflösungsmessmodus wird ein integriertes Fabry-Perot Interferometer zur Erhöhung der Auflösung verwendet. Dazu wurde in Kooperation mit dem Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz ein neuer Piko-Kraftsensor basierend auf einem (MOEMS) entwickelt.

Wie in Abb. 1a dargestellt, besteht der MOEMS-Sensor aus (1) einem elektrostatischen Kammantriebsaktuator, (2) einem eingebetteten Fabry-Perot-Resonator mit integrierten Bragg-Spiegeln und (3) einem passiven Greifer zum Fixieren von unterschiedlichen Reflektoren mit hochreflektierenden Beschichtungen, um den Leistungsverlust während der Strahlungsdruckmessung zu minimieren.

Mit dem integrierten eingebetteten Mikroresonator sind zukünftig hochauflösende Kraftmessungen mit einer sub-pN Kraftauflösung möglich. Wie in Abb. 1b dargestellt, kann der MOEMS-Kraftwandler die Laserleistung eines Diodenlasers mit einem Grundrauschen ~1 pN messen.



Abb. 1a: Schematische Darstellung des MOEMS-Strahlungsdrucksensors


  

Abb. 1b: Vergleich zwischen dem gemessenen Laserstrahlungsdruck des MOEMS-Kraftsensors und der nominalen Laser-Kraft

Literatur:

[1] Z. Li, S. Gao, U. Brand, K. Hiller, S. Hahn, H. Wolff, L. Koenders, "Towards quantitative determination of weak forces using a micro-machined optomechanical force sensor", Poster presentation in European Optical Society Biennial Meeting (EOSAM) 2018, Delft, Netherlands, 8-12 October 2018.

Kontakt

Anschrift

Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig