30.04.2018

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

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