Herstellung diffraktiver mikrooptischer Komponenten in organisch-anorganischen Nanokompositmaterialien

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Herstellung und Charakterisierung von Relief- und Phasenhologrammen aus C=C-funktionalisierten ZrO2-Nanopartikel gefüllter organischanorganischen Matrix Methacryloxypropyltrimethoxysilan-MPTS/Tetraethylenglykoldimethhacrylat- TEGDMA) beschrieben. Im Ersten Teil der Arbeit wurden Reliefhologramme durch Zweiwellenmischverfahren beschrieben und durch Auswaschprozess des unpolymerisierten Materials entwickelt. Dabei entstehen Reliefhologramme mit Beugungswirkungsgrad von 36.3% und Signal/Rausch =136. Der experimentelle Beugungswirkungsgrad ist höher als der theoretische. Dies wurde verursacht durch zwei Effekte: zuerst wurde das Gitterprofil durch Steuerung der Belichtung quasi viereckig und zum zweiten wurde eine Brechwertmodulation in Phasen mit dem Reliefgitter durch Diffusion von funktionalisierten Nanopartikeln und durch anorganische Vernetzung erzeugt. Für die Anwendungen, wie z.B. Masterherstellung, stellt das Signal/Rausch-Verhältnis eine wichtige Eigenschaft der holographischen Komponenten dar. Um die Oberflächenqualität der holographischen Strukturen zu verbessern, wurden Reliefhologramme durch einen Fixierungsprozess hergestellt. Diese Methode zur Herstellung von Reliefhologrammen ermöglicht ein Signal/Rausch-Verhältnis von ca. 350 und einen Beugungswirkungsgrad nahe dem theoretischen Wert. Weiterhin wurden holographische Relieffresnellinsen durch den Mach-Zehnder-Interferometer und den Fixierungsprozess mit einem Beugungswirkungsgrad der ersten Ordnung von 32 % hergestellt. Ein Weiterer Schwerpunkt des ersten Teils war die Herstellung von Volumenphasenhologrammen durch lichtinduzierte Diffusion von funktionalisierten Nanopartikeln. Die Grundlagen und die Herstellung von Hologrammen durch hochbrechende Nanopartikel mit photopolymerisierbaren Liganden, die im Gradienten chemischer Potentiale bewegt werden können, wurden in dieser Arbeit durchgeführt. Nanokomposite auf organisch-anorganischer Basis in Verbindung mit C=C-funktionalisierten ZrO2-Nanoteilchen wurden aufgrund ihrer optischen Strukturierbarkeit erfolgreich zur Herstellung von Volumen-Phasen-Gittern eingesetzt. Mit ZrO2-haltigen Nanomeren® konnten Volumenphasenhologramme mit Δn = 0.021 bei einer mittleren Brechzahl von 1.51 durch Phasenseparation realisiert werden. Dabei lag die Dicke des Gitters zwischen 1 μm und 16 μm bei einer Gitterperiode von 1,5 μm. Die Vorteile der Phasenseparation gegenüber dem Colburn-Heines-Effekt bestehen darin, dass die Energie für den Hologramm- Schreibeprozess sehr gering ist und eine hohe Modulation der Konzentration der Nanoteilchen durch das chemische Potential erreicht werden kann. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung oder neuen Konzeption der optischen Methode zur Herstellung und Charakterisierung von Hologrammen, wie der Mach-Zender-Interferometer zur Herstellung von Fresnellinsen, die Untersuchung der Brechwertmodulation eines Reliefhologramms, sowie die Schrumpfungs-Messmethode einer photopolymerisierbaren Schicht. Aus dieser Arbeit kristallisierte sich heraus, dass die photopolymerisierbaren Nanokomposite der Nanomer®-Klasse Eigenschaften wie hohe Brechwertmodulation, hohe mechanische, chemische und witterungsresistente bzw. hohe holographische Empfindlichkeit aufweisen. Der Vergleich zwischen den Eigenschaften von organischen Photopolymeren und dem in dieser Arbeit entwickelten holographischen Nanomer®-Material zeigt, dass die Nanomere® ein konkurrenzloses Material für die zukünftigen Anwendungen in der integrierten Optik sind.

The aim oft this work was the development and characterization of holographic optical elements. For this propose, this interdisciplinary research work has linked the syntheses of the holographic material and the development of the optical technique solutions to write and to read the optical properties of the holograms. The sol-gel process allows the production of metal oxide particles in the presence of organo alkoxysilanes, bearing various functions. The synthesis of multifunctional transparent organic-inorganic composites is possible, if the particle size can be kept in the lower nanometer range. Composites with a high refractive index generally require the incorporation of inorganic components. The material system used in this work is based on 3-methacryloxypropyl trimethoxysilane (MPTS)/tetra ethylenglykol dimethacrylat (TEGDMA) and zirconium propylate (Zr), chelated by methacrylic acid (MA) has shown to be suitable for index matching, by varying the Zr/MAconcentration. In the first part of this study relief holograms by two-wave-mixing technique have been written and developed using a mixture of solvents. If a local irradiation of the sample with an interference pattern and a periodic modulation of polymerization occur, both the index of refraction (n) and Thickness (d) of the film will change with the same periodicity. The unpolymerised material can be dissolved and a surface relief grating with 36,3% of diffraction efficiency and 136 of signal/noise is obtained. The experimental diffraction efficiency exceed the theoretical value, this effect can be explained by the right angle of the grating relief profile, as well by the volume hologram formed with the same periodicity and phase as the relief structure. To increase the signal/noise-ratio it is necessary to avoid the chemical development step. The relief of micro structures of organic polymer disappears mostly after a full irradiation with UV-light, but the relief micro structures of Nanomer® based material can be fixed by photochemical other oven treatment. Appropriate phase gratings could be formed by 3-dimensional relief structures without any wet chemical development step. Since the wet chemical development step is not required for Nanomers®, very smooth sinusoidal amplitude modulations could be obtained, leading to extremely high signal to noise ratios of up to 350 which is three times better than for organic photopolymers. Beside this the main advantages of Nanomers® compared to state-of-the art polymers or dichromatic gelatins for holography are: − glass-like mechanical stability − very high chemical durability − high UV and long term stability. Fresnel lenses with high quality have been performed using a Mach-Zehnder-Interferometer to write its UV-interference pattern in an organic-inorganic Nanokomposit. Lenses with a diffraction efficiency of the first order of 32 % have been obtained. Another import development step of the first part of this work is the study of the light induced diffusion of functionalized Nanoparticles. The question arises how far C=C-double bonds attached to inorganic high refractive index nanoparticles in a low viscosity polymerisable matrix are able to migrate into the irradiated area. In this case after full area irradiation differences in the refractive index n between pre irradiated areas and the areas being exposed only to the full area treatment should exist. This would lead to a permanent refractive index gradient in the films. Volume phase holograms with Δn = 0.021 by a material refractive index of 1.51 with grating periodicity of 1, 5 μm in a film with 1 μm to 20 μm of thickness have been produced. The second part of this work is focused on the optimization or development of new conceptions of optical techniques to produce or characterize holographic micro structured Elements. The Mach-Zehnder Interferometer has been used to write micro Fresnel lenses and to measure the shrinkage in real time of photopolymerisable coatings. For the refractive index change measurements of relief structure a new concept based on the coupled wave theory and refractive index change of 10-4 can be detected. The comparison with organic photopolymers leads to the conclusion that Nanomers® combines several important technical and technological advantages for UV-holography to be applied on the integrated optic.