Anti-Reflex-Strukturen mittels Präzisionsblankpressen

Um die Konzentration von Gasen oder Gasbestandteilen zu bestimmen, finden verschiedene Verfahren Anwendung. So ist das sogenannte »Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy« (TDLAS) ein Laserspektroskopie-Verfahren für den mittleren Infrarotbereich. Das Prinzip: Laserdioden erzeugen eine Strahlung, deren Emissionsfrequenz verändert bzw. je nach zu untersuchenden Gas angepasst werden kann. Die Vorteile von TDLAS: eine sehr hohe Messgeschwindigkeit und eine geringe Detektionsgrenze. Das Verfahren findet unter anderem in der Umwelttechnik, etwa bei der Bestimmung von Schadstoffkonzentrationen, und bei der Bestimmung der Zusammensetzung der Erdatmosphäre Anwendung.

Entwicklung eines Punkt-Gas-Sensor für Methangas

Im Projekt »MARS – Molded Anti-Reflex Structures« wurde ein kompakter und robuster Punkt-Gas-Sensor für Methangas entwickelt, der den aktuellen Stand der Technik in den Bereichen Sensitivität, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz weit übertrifft. Kern des Projekts war die Entwicklung von Infrarotoptiken mit integrierter Anti-Reflex-Struktur, die durch Präzisionsblankpressen hergestellt werden.

Für die in den Gassensoren verwendeten Optiken werden Materialien benötigt, die im infraroten Spektralbereich transparent sind. Charakteristisch für diese Materialien (z.B. Germanium, Silizium, Zinkselenid, Chalkogenidglas) ist ein hoher Brechungsindex. Ein hoher Brechungsindex geht mit starker Reflexion einher, und Reflexionen führen zu Transmissionsverlusten.

Um die Reflexionen und Transmissionsverluste zu reduzieren, werden die Optiken üblicherweise mit antireflektierenden Materialien beschichtet. Lithographische Verfahren verursachen jedoch, neben einer erhöhten Fertigungsdauer, zusätzliche Kosten, und oftmals werden umweltunverträgliche Stoffe verwendet. Eine einlagige Beschichtung reduziert zudem die Reflexion nur für eine Wellenlänge und einen Einfallswinkel effektiv. Da bei den Gas-Detektoren eine breitbandige und winkelunabhängige Antireflektions-Wirkung benötigt wird, müssten aufwendige Vielfachbeschichtungen eingesetzt werden.

Integrierte Anti-Reflex-Struktur statt Beschichtung

Am Fraunhofer IPT geht man einen anderen Weg: Statt mit antireflektierenden Beschichtung wird der Transmissionsgrad der Optiken aus Chalkogenidglas durch die Einbringung von Mikrostrukturen erhöht, wie sie auf den Augen von nachtaktiven Motten zu finden sind. Die Strukturen werden mithilfe des isothermen Präzisionsblankpressens eingebracht. Das isotherme Präzisionsblankpressen mit am Fraunhofer IPT entwickelten Verschleißschutzschichten ist im Vergleich zu den herkömmlichen Fertigungsverfahren wie Schleifen und Polieren insbesondere für die Herstellung optischer Komponenten mit komplexen Geometrien geeignet und bietet gleichzeitig einen hohen Skalierungsgrad. Zur Fertigung dieser Mikrostrukturen mittels Präzisionsblankpressen stehen eine Bandbreite an Chalkogenidgläsern zur Verfügung aus denen zunächst eine passende Auswahl getroffen wird.

Partner

• Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
• NIL Technology ApS, Dänemark
• nanoplus Nanosystems and Technologies GmbH, Deutschland

Projektförderer

Das Forschungsvorhaben wird vom Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi). gefördert.