Licht für Optik und Quantencomputer MEMS-Flächenlichtmodulatoren steuern Licht in Phase und Amplitude

Das Fraunhofer IPMS hat spezielle MEMS-basierte Flächenlichtmodulatoren entwickelt. Die Bausteine sollen Licht im tiefen Ultraviolett bis Nahinfrarot mit hoher räumlicher Auflösung und Geschwindigkeit formen.

Flächenlichtmodulatoren verändern die Eigenschaften eines Lichtfelds pixelweise. Je nach Architektur lassen sich dabei die Intensität oder Amplitude, die Phase oder beide Größen beeinflussen. Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS entwickelt dafür MEMS-basierte Modulatoren mit mikromechanisch bewegten Spiegelelementen.

Die Technologieplattform ist für Wellenlängen vom tiefen Ultraviolett (DUV) bis zum Nahinfrarot ausgelegt. Nach Angaben des Instituts eignen sich die Modulatoren unter anderem für die Mikrolithografie, Mikroskopie, adaptive Optik, Laserstrahlformung und holografische Bildgebung. Weitere Einsatzfelder sehen die Experten des Fraunhofer IPMS in der optischen Signalverarbeitung und im Quantencomputing.

Mikrospiegel für Phasen- und Amplitudenmodulation

In der Mikroskopie können präzise gesteuerte einachsige Kippspiegel Proben selektiv und hochauflösend ausleuchten. Die Spiegel verändern dabei den Reflexionswinkel des Lichts und ermöglichen es, unterschiedliche Bereiche einer Probe gezielt anzusteuern.

Für die Halbleiterfertigung sind Modulationsverfahren im ultravioletten und tief ultravioletten Spektralbereich relevant. Sie können dazu beitragen, Lichtverteilungen in lithografischen Systemen anzupassen und Prozesse zu optimieren. Welche Vorteile sich im konkreten Fall ergeben, hängt unter anderem von der verwendeten Wellenlänge, der optischen Effizienz, der Modulationstiefe und der Abbildungsoptik ab.

Auch für die Materialbearbeitung sieht das Fraunhofer IPMS Einsatzmöglichkeiten. Mithilfe zweiachsiger Kippspiegel lässt sich Licht in zwei Raumrichtungen umverteilen. Auf diese Weise kann die verfügbare Laserleistung gezielter auf dem Werkstück verteilt werden. Das Potenzial liegt unter anderem darin, die optische Effizienz und die Flexibilität von Bearbeitungsprozessen zu erhöhen.

Die präzise Phasenmodulation ermöglicht außerdem die Erzeugung holografischer Wellenfronten. Damit lassen sich dreidimensionale Lichtverteilungen rekonstruieren, die über einen rein simulierten Tiefeneindruck einer zweidimensionalen Darstellung hinausgehen können. Ob daraus eine räumlich wahrnehmbare dreidimensionale Darstellung entsteht, hängt jedoch vom vollständigen optischen Aufbau, der Beleuchtung und der Beobachtungssituation ab. Die SLMs des Fraunhofer IPMS können zudem die Lichtintensität gezielt steuern. Die Amplitudenmodulation eröffnet Anwendungen in der Laserstrahlformung, der optischen Signalverarbeitung und bei Displaytechniken.

Holografische Lichtmuster für neutrale Atome

Ein weiteres Anwendungsfeld ist das Quantencomputing mit neutralen Atomen. Dabei formen SLMs Laserstrahlen mithilfe holografischer Verfahren. Aus dem einfallenden Licht entstehen fokussierte Lichtpunkte, die als optische Pinzetten einzelne neutrale Atome festhalten können.

Auf diese Weise lassen sich zahlreiche Atome gleichzeitig in flexiblen Anordnungen kontrollieren. Die erzeugten Lichtmuster können dynamisch an unterschiedliche Quantenoperationen angepasst werden. Der Betrieb der SLMs im ultravioletten Wellenlängenbereich kann Anwendungen unterstützen, bei denen die optische Anregung der Atome erforderlich ist.

Für den praktischen Einsatz sind neben der Pixelzahl weitere Parameter entscheidend. Dazu gehören die Modulationsgeschwindigkeit, die Phasen- oder Amplitudenauflösung, die Homogenität der Pixel, die optische Effizienz und das Streulichtverhalten. Auch die erforderliche Laserleistung und die Qualität der Ansteuerung müssen auf das optische System abgestimmt werden.

Evaluierungskit mit 256 x 256 Mikrospiegeln

Um Unternehmen und Forschungseinrichtungen die Erprobung der Technologie zu ermöglichen, bietet das Fraunhofer IPMS Evaluierungskits an. Damit lassen sich verschiedene Spiegelarchitekturen auf einer gemeinsamen Plattform untersuchen. Je nach eingesetztem Aktor werden die Mikrospiegel gekippt oder vertikal ausgelenkt.

Das „DIFFRACTIVE MEMS KIT“ basiert auf einem Array aus analogen Kipp-Mikrospiegeln und ermöglicht nach Angaben des Instituts eine hochauflösende optische Amplitudenkontrolle bei hoher Geschwindigkeit. Alternativ ist das Kit mit einem analogen Senkspiegelarray für die Phasenmodulation erhältlich. Ein diffraktives optisches Bauelement reflektiert Licht nicht ausschließlich wie ein herkömmlicher Spiegel. Durch die definierte Struktur und die Bewegung der Spiegelelemente wird das Licht gebeugt und in bestimmte Richtungen gelenkt. Dadurch lassen sich Lichtfelder und Wellenfronten gezielt erzeugen.

Der diffraktive MEMS-Baustein des Fraunhofer IPMS verfügt über 256 x 256 einzeln ansteuerbare Kippspiegelelemente. Die einzelnen Spiegelelemente haben eine Kantenlänge von jeweils 16 µm. Jedes Element lässt sich unabhängig und nahezu stufenlos zwischen seiner Ausgangsposition und einer definierten Kippstellung bewegen. Die aktive Fläche des Arrays beträgt rechnerisch rund 4,1 mm x 4,1 mm.

Der Baustein ist laut Fraunhofer IPMS sowohl für DUV-Licht als auch für längere Wellenlängen ausgelegt. Das Evaluierungskit umfasst neben dem Mikrospiegelchip die vollständige Ansteuerungselektronik, eine Schnellstart-Software und eine flexible PC-Schnittstellenbibliothek. (heh)

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