Schnelle adaptive optische Linsen und Strahlableiter mit hoher Effizienz

• Applicant: Professor Dr. Theo Tschudi
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2002 to 2006
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5373603

Elektro-optische Stell- und Korrekturelemente werden in der Informations- und Nachrichtentechnik immer wichtiger. Eine interessante Gruppe elektro-optischer Komponenten stellen auf Flüssigkristallen basierende Linsen und Strahlablenker dar. Diese erlauben durch geeignete Modulation des Brechungsindexes in einer Flüssigkristallschicht eine dynamische Fokusverschiebung bzw. Strahlablenkung ohne mechanische Komponenten. Die Entwicklung solcher Elemente ist seit Jahren Gegenstand unserer Forschungsarbeiten, jedoch fehlt es bisher an einer verwertbaren Umsetzung, da zwei Kriterien bisher nur teilweise erfüllt werden konnten. Zum einen sind die Schaltzeiten zu langsam, zum anderen zeigen vor allem schnellere Linsentypen aufgrund ihres Aufbaus einen zu geringen Beugungswirkungsgrad. Ziel des Projektes ist die Entwicklung 'schneller' elektro-optischer Linsen und Strahlablenker mit 'hohem' Wirkungsgrad. Als phasenmodulierendes Material werden Flüssigkristalle verwendet, die gegenüber allen anderen Materialien (piezoelektrische, akustooptische, elektrooptische) den Vorteil einer großen Brechzahländerung bei geringen Betriebsspannungen bieten. Das erste Ziel, eine deutliche Effizienzsteigerung, soll durch ein neuartiges Elektrodendesign erreicht werden bei dem sog. Meshing-Techniken (Erzeugung von Spannungsabfällen entlang einer Elektrode) zum Einsatz kommen und auf ein Design mit wenigen, bestenfalls nur noch zwei Elektroden führen. Durch Variation der Steuerspannungen sind die eingestellten Profile dynamisch regelbar. So lassen sich ideale Linsen (geblazte Fresnelzonen) bzw. Keilprofile (Sägezähne) im Brechungsindexverlauf generieren. Das angestrebte Konzept bietet die Möglichkeit der Miniaturisierung und einer kostengünstigen Herstellung. Das zweite Ziel, eine deutliche Senkung der Schaltzeiten soll durch den Einsatz neuer Flüssigkristallmischungen erreicht werden, wobei Schaltzeiten unter einer Millisekunde erwartet werden. Die für ein optimales Schalten in Frage kommenden Materialien (schnelle nematische Ein- und Zwei-Frequenz-Mischungen) sollen charakterisiert und in den neuen Elementen erprobt werden. Parallel zu den aufgeführten Arbeiten sollen im späteren Projektverlauf Untersuchungen an bisher nicht zur Phasenmodulation eingesetzten Materialien (Ferroelektrische Flüssigkristalle, Flüssigkristall-Aerosil Mischungen) durchgeführt werden. Ließen sich diese Materialien geeignet in der Zelle orientieren, so könnte eine Phasenmodulation mit Schaltzeiten im 100gs Bereich realisiert werden, womit diese Elemente für viele Einsatzgebiete von größtem Interesse wären. Beide Materialien sollen studiert und auf ihre Verwendbarkeit hin getestet werden.

• DFG Programme: Research Grants