| dc.date.accessioned | 2012-12-12T14:50:58Z | |
| dc.date.available | 2012-12-12T14:50:58Z | |
| dc.date.issued | 2012-12-12 | |
| dc.identifier.uri | urn:nbn:de:hebis:34-2012121242331 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/2012121242331 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | Nanospectrometer | eng |
| dc.subject | optical characterization | eng |
| dc.subject.ddc | 620 | |
| dc.title | Characterization of Novel Fabry Pérot Filter Arrays for Nanospectrometers in Medical Applications | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dcterms.abstract | Optische Spektroskopie ist eine sehr wichtige Messtechnik mit einem hohen Potential für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Wissenschaft. Kostengünstige und miniaturisierte Spektrometer z.B. werden besonders für moderne Sensorsysteme “smart personal environments” benötigt, die vor allem in der Energietechnik, Messtechnik, Sicherheitstechnik (safety and security), IT und Medizintechnik verwendet werden. Unter allen miniaturisierten Spektrometern ist eines der attraktivsten Miniaturisierungsverfahren das Fabry Pérot Filter. Bei diesem Verfahren kann die Kombination von einem Fabry Pérot (FP) Filterarray und einem Detektorarray als Mikrospektrometer funktionieren. Jeder Detektor entspricht einem einzelnen Filter, um ein sehr schmales Band von Wellenlängen, die durch das Filter durchgelassen werden, zu detektieren. Ein Array von FP-Filter wird eingesetzt, bei dem jeder Filter eine unterschiedliche spektrale Filterlinie auswählt. Die spektrale Position jedes Bandes der Wellenlänge wird durch die einzelnen Kavitätshöhe des Filters definiert. Die Arrays wurden mit Filtergrößen, die nur durch die Array-Dimension der einzelnen Detektoren begrenzt werden, entwickelt. Allerdings erfordern die bestehenden Fabry Pérot Filter-Mikrospektrometer komplizierte Fertigungsschritte für die Strukturierung der 3D-Filter-Kavitäten mit unterschiedlichen Höhen, die nicht kosteneffizient für eine industrielle Fertigung sind.
Um die Kosten bei Aufrechterhaltung der herausragenden Vorteile der FP-Filter-Struktur zu reduzieren, wird eine neue Methode zur Herstellung der miniaturisierten FP-Filtern mittels NanoImprint Technologie entwickelt und präsentiert. In diesem Fall werden die mehreren Kavitäten-Herstellungsschritte durch einen einzigen Schritt ersetzt, die hohe vertikale Auflösung der 3D NanoImprint Technologie verwendet. Seit dem die NanoImprint Technologie verwendet wird, wird das auf FP Filters basierende miniaturisierte Spectrometer nanospectrometer genannt.
Ein statischer Nano-Spektrometer besteht aus einem statischen FP-Filterarray auf einem Detektorarray (siehe Abb. 1). Jeder FP-Filter im Array besteht aus dem unteren Distributed Bragg Reflector (DBR), einer Resonanz-Kavität und einen oberen DBR. Der obere und untere DBR sind identisch und bestehen aus periodisch abwechselnden dünnen dielektrischen Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Die optischen Schichten jeder dielektrischen Dünnfilmschicht, die in dem DBR enthalten sind, entsprechen einen Viertel der Design-Wellenlänge. Jeder FP-Filter wird einer definierten Fläche des Detektorarrays zugeordnet. Dieser Bereich kann aus einzelnen Detektorelementen oder deren Gruppen enthalten. Daher werden die Seitenkanal-Geometrien der Kavität aufgebaut, die dem Detektor entsprechen. Die seitlichen und vertikalen Dimensionen der Kavität werden genau durch 3D NanoImprint Technologie aufgebaut. Die Kavitäten haben Unterschiede von wenigem Nanometer in der vertikalen Richtung. Die Präzision der Kavität in der vertikalen Richtung ist ein wichtiger Faktor, der die Genauigkeit der spektralen Position und Durchlässigkeit des Filters Transmissionslinie beeinflusst. | ger |
| dcterms.abstract | Optical spectroscopy is a very important sensing technique and reveals a high potential for numerous applications in both industrial and scientific applications. Low-cost, strongly miniaturized spectrometers are highly required for modern sensing systems, e.g., for energy technology, measurement techniques, safety, security, IT and mechanical technologies. The strong miniaturization is highly required for example in so called “smart personal environments”. Among all the miniaturized spectrometers, one of the most attractive miniaturization approaches is the Fabry Pérot filter based microspectrometer. In this approach, a combination of a Fabry Pérot (FP) filter array and a detector array can function as a microspectrometer. Each detector corresponds to one individual filter to detect a very narrow band of wavelengths transmitted through the filter. An array of FP filters is used in which each filter selects a different spectral filter line. The spectral position of each band of wavelength is defined by each individual cavity height of the filter. The arrays were developed with filter sizes which are limited only by the dimensions of the individual detectors in the array. Novel Fabry Pérot filter based microspectrometers with NanoImprinted cavities were designed by INA and were proposed and introduced as “nanospectrometers”. All different filter cavities could be fabricated in one single step using nanoimprint technology.
Due to the small lateral dimensions of a single FP filter, the filter arrays can contain thousands of individual FP filters. The functionality of the FP filters and the arrays has to be verified. Therefore, a high quality characterization of the optical properties and tuning behaviors is demanded to provide an important feedback for the fabrication processes and to optimize the final filter quality.
The goal of this thesis is to investigate the optical properties and tuning behaviors of FP filter arrays for nanospectrometers by installing, utilizing and designing characterization setups with high spectral quality. Based on the specific spectral and geometric properties of the FP filters, most of the required factors of the characterization setups are defined. For instance, based on the broad spectral range of applications of the fabricated filter arrays, the characterization is focused on the visible and near infrared (NIR) region. Due to the micro structure of the filter membranes, the requirement of precisely detecting signals from such small dimensions is also addressed. Moreover, a minimum inspection time for each filter, a fast “step and repeat”modus are further desirable factors which need to be treated with some caution in the setups.
In order to reach these goals, two optical characterization setups: the compact microscope spectrometer setup and the free beam broad band confocal setup are installed, designed and implemented. The setups offer an adequate spectral and spatial accuracy, a high measurement speed and an ability of measuring microstructure dimensions. Thus, they are able to provide an important feedback for the fabrication processes and to optimize the final quality of our Fabry Pérot filter arrays. This thesis demonstrates the design of each characterization setup, step by step, from the theoretical basis of the design, to the developing procedure, as well as the calibration and alignment procedure. Finally, experimental results obtained from the setups while characterizing the optical properties and tuning behaviors of the static and tunable Fabry Pérot filter arrays are presented. | eng |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Mai, Hong Hanh | |
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Univ., Fachbereich Elektrotechnik / Informatik | |
| dc.contributor.referee | Hillmer, H. (Prof. Dr. rer. nat.) | |
| dc.contributor.referee | Börcsök, J. (Prof. Dr.-Ing.) | |
| dc.subject.swd | Spektrometer | ger |
| dc.subject.swd | Optische Spektroskopie | ger |
| dc.date.examination | 2012-10-23 | |
