Robustere Spektrometer
Direktes Bonden von Beugungsgittern und Prismen für die Erdbeobachtung.
Wenn heute ökologische Probleme auf globaler Ebene betrachtet werden, stützt man sich dafür häufig auf Satellitenbeobachtungen. Die Satelliten mit ihren Spektrometern kreisen um die Erde und erfassen die Treibhausgasemissionen, die Landnutzung oder auch die Sauerstoffproduktion über dem Urwald. Die Anforderungen an die spektroskopischen Systeme sind immens: Einerseits sollen sie hochpräzise und möglichst kompakt sein, andererseits müssen sie die Erschütterungen beim Start aushalten und auch während jahrelanger Missionen stabil funktionieren. Am Fraunhofer Institut für angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena wurde nun eine Technologie entwickelt, mit der die Kernkomponenten von Spektrometern in Zukunft noch kompakter und robuster gebaut werden können.
Abb.: Prisma-Gitter-Prisma (PGP)-System für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Präzisionsoptik oder hochsensible Interferometer. (Bild: Fh.-IOF)
Aus der Halbleiterfertigung ist bekannt, dass sich Glaswafer durch direktes Bonden dauerhaft miteinander verbinden lassen. Die Fraunhofer-Forscher haben diese Technologie so weiterentwickelt, dass erstmals auch dicke und steife Bauteile wie zum Beispiel Prismen verbunden werden können. Die Methode beruht auf der Ausbildung von kovalenten Sauerstoffbindungen zwischen den verschiedenen Glasoberflächen. Für den Prozess werden beide Oberflächen durch magneto-rheologisches und chemisches Polieren auf eine Ebenheit von mindestens zwanzig Nanometer und eine Rauheit von einem halben Nanometer gebracht. Anschließend werden beide Oberflächen aktiviert. Der eigentliche Fügeprozess findet in Reinraumbedingungen unter normalem Luftdruck statt, wodurch das Verfahren flexibel für verschiedene Komponentengeometrien und -abmessungen angepasst werden kann.
Die Vorteile für die optischen Systeme sind erheblich: Durch das Bonden entfallen optische Grenzflächen, für ein Prisma-Gitter-Prisma (PGP)-System reduziert sich die Zahl von sechs auf zwei relevante Flächen. Entsprechend geringer sind die Verluste, es entsteht weniger Streulicht. Des Weiteren besitzt die Komponente eine hohe thermomechanische Stabilität, was sich direkt in die Wellenfrontgenauigkeit überträgt.
Die Technologie wurde für eine Satellitenmission entwickelt und die PGP-Kombination nach den anspruchsvollen thermischen und mechanischen Tests für die Mission erfolgreich qualifiziert. Neben Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt eignet sich die Technologie natürlich auch für andere Vakuumanwendungen, zum Beispiel für Präzisionsoptik oder hochsensible Interferometer.
Fh.-IOF / JOL
