Photonic Systems

Mit dem Ziel, konkrete Systeminnovationen zu schaffen, spezialisiert sich das Team des Bereichs Photonic Systems darauf, anhand eines koordinierten und ganzheitlichen Ansatzes die multidisziplinäre Erforschung und Entwicklung von optischen, optoelektronischen und mechanischen Komponenten voranzutreiben.

FORSCHUNGSSCHWERPUNKTE

• Optische Sensor- und Messsysteme für die unterschiedlichsten kundenspezifischen Anwendungen – von optischen Detektoren für Nanopartikel in (Automobil-)Abgasen bis zu hochintegrierten bildgebenden Systemen für biomolekulare Analysen.
• Lösungen für photonische Systeme auf M(O)EMS-Basis zur Entwicklung funktionaler Komplettsysteme mit geeigneten optischen, mechanischen und elektronischen Mikrokomponenten, wie z. B. verschiedenen Mikrospiegeln.
• Spezialisierte Hochleistungslasersysteme sowohl auf Basis des von der SAL entwickelten ultrakompakten, diodengepumpten Hochleistungs-Festkörperlasers HiPoLas®, als auch auf alternativen Lasersystemen. Die Einsatzmöglichkeiten reichen von Sensoranwendungen bis hin zu Laserzündsystemen.
• Intelligente spektroskopische Systeme, wobei sich die Forschung mit spektroskopischer Hardware – von Sensoren für nichtstreuende Objekte bis hin zu MEMS-basierten Spektrometern – ebenso befasst wie mit spektroskopischer Intelligenz, unter anderem mit multivariater Datenanalyse und zustandsadaptiven Modellen.

In der Forschung geht es vor allem um fundamentale Fragen, etwa nach neuen optischen Designs oder speziellen Komponenten. Daneben spielen aber auch praktische Überlegungen eine Rolle, wie geometrische und andere anwenderspezifische Einschränkungen oder die Toleranzen von optischen Elementen. Dementsprechend können die F&E-Projekte von ersten technischen und wissenschaftlichen Machbarkeitsstudien bis hin zur Umsetzung und Charakterisierung von voll funktionsfähigen Demonstratoren reichen.

FORSCHUNGSKOMPETENZEN

Das F&E-Team deckt alle relevanten wissenschaftlichen und technischen Disziplinen ab, vor allem Optik und Photonik, Physik, optisches Design und Systemdesign, Optoelektronik, Laserphysik, Spektroskopie und Chemie. Dies gewährleistet fachliche Kompetenz unter anderem in den folgenden Bereichen:

• Design und Systemintegration (mikro-)optischer Systeme.
• Simulation von komplexen integrierten Systemen sowohl auf optischen und photonischen, als auch auf übergeordneten Systemebenen unter Berücksichtigung von thermischen, mechanischen und elektronischen Wechselwirkungen.
• Auswahl, Anpassung und Implementierung anwendungsoptimierter Systemkomponenten, wie Lichtquellen und -detektoren, Systeme zur Steuerung und Datenerfassung bzw. -auswertung usw.
• Auswahl, Anpassung und Implementierung hochfunktioneller MEMS-/MOEMS-Komponenten für intelligente Systemlösungen.
• Makroskopische und mikroskopische Spektroskopie und Bildgebung in allen spektralen Bereichen (UV/VIS, NIR, MIR und Raman), einschließlich spektraler Modelle und Verfahren zur Datenauswertung.
• Entwicklung spezifischer optisch-spektraler Analysatoren und Sensoren.
• Entwicklung und anwendungsspezifische Anpassung monolithischer Hochleistungslaser (SAL-HiPoLas®-Linie).
• Laserzündung, z. B. für Kolbenmotoren, Turbinen und Raketentriebwerke.
• Ganzheitliche Systemintegration und -optimierung.
• Experimentelle Charakterisierung und Validierung optischer Systeme und Subsysteme.
• Optisches Design, Interferometrie, Terahertz (THz) -Imaging, ultraschnelle Spektroskopie, nichtlineare Optik, Time-of-Flight (ToF) -Sensoren, Lichtfeldmikroskopie usw.

Die Forschungsinfrastruktur dieses Forschungsbereichs umfasst Labors für optische Systemtechnik ebenso wie ein spezielles und zertifiziertes Laserlabor, ein Labor für Spektroskopie sowie ein Chemielabor für die Probenvorbereitung und Referenzanalysen. Neben der umfassenden Ausstattung mit optischen, optomechanischen und optoelektronischen Komponenten für Versuchsaufbauten ermöglichen verschiedene messtechnische Systeme unter anderem die Charakterisierung von Lasern aller Klassen. Darüber hinaus stehen mehrere High-End-Spektrometer vom UV-/VIS- bis zum THz-Bereich einschließlich eines IR- und eines Raman-Mikroskops zur Verfügung. Ergänzt wird diese Experimentalausstattung durch eine Simulationsinfrastruktur, die laufend erweitert und auf den neuesten Stand der Technik gebracht wird (z. B. ZEMAX OpticStudio Premium, LightTrans VirtualLab Fusion und COMSOL Wave Optics), sowie durch Software für die Auswertung spektraler Daten und Referenzdatenbanken.

ANWENDUNGEN

Optische Sensoren zur Analyse von Feinststaub-Nanopartikeln in Autoabgasen

Gemeinsam mit dem österreichischen Partner AVL List GmbH wurde ein Kondensationspartikelzähler der nächsten Generation zur Erfassung von Nanopartikeln unter 100 nm in Autoabgasen entwickelt. In diesem Fall ging die Entwicklung weit über den optischen Streulichtdetektor hinaus, der grundlegend neu entwickelt und verbessert wurde, und befasste sich mit dem Gesamtsystem und den internen Funktionsweisen und Wechselwirkungen, einschließlich Thermomanagement, der Verdampfung von Arbeitsflüssigkeiten in speziellen mikroporösen Dochtelementen und der Schaffung einer übersättigten Wachstumszone mit einem sorgfältig ausgewogenen Gleichgewicht zwischen Gasstrom, thermischer Leitfähigkeit und Diffusionsvermögen von Gas und (Nano )partikeln. Der aus diesem Projekt hervorgegangene und auf einer neuen, hochkompakten vertikalen Bauweise mit ringförmigem Querschnitt basierende AVL-CPC-Nanopartikelsensor bietet eine einzigartig hohe Trennschärfe in Bezug auf den Durchmesser der Nanopartikel, eine präzise kontrollierbare, effektive Abtrenngröße der Partikel, eine signifikante Reduktion der effektiven Partikelverluste im Sensor und eine wesentliche Verbesserung der Dynamik der Partikeldetektion.
 

MEMS-basierter situationsadaptiv regelbarer Laserscheinwerfer

Gemeinsam mit Osram, dem Marktführer auf dem Gebiet der Automobilbeleuchtung, hat das Team neue Lichtquelleneinheiten für Laserscheinwerfer im Automobilbereich erforscht. In einem ersten Schritt wurde ein umfassendes optisches Konzept entworfen, das unterschiedliche Lasertechnologien, optische Komponenten, deren optomechanische Anordnung sowie das Lichtbudget berücksichtigt. Um realistische Spezifikationen für das Gesamtsystem ermitteln zu können, ist die Optimierung mechanischer und elektronischer Faktoren von entscheidender Bedeutung. Großes Augenmerk muss dabei auch auf die Lasersicherheit gelegt werden. Auf Basis der LARP-Technologie (Laser-Activated Remote Phosphor) wurde ein voll funktionsfähiger Prototyp gebaut. Bei dieser Einheit wird das blaue Licht der leistungsstarken Laserdioden durch einen speziellen Konverter in reines weißes Licht umgewandelt. Der emittierte Lichtkegel wird durch das optische System des Scheinwerfers geformt und als Lichtstrahl auf die Straße gelenkt. Die in dieser Einheit enthaltene MEMS-Technologie ermöglicht eine adaptive Anpassung des ausgeleuchteten Bereichs, um zu verhindern, dass andere Verkehrsteilnehmer geblendet werden, oder um mögliche Gefahrenquellen frühzeitig erkennen zu können. Die Lasertechnologie eröffnet völlig neue Dimensionen im Scheinwerferdesign. Laserdioden überzeugen durch überlegene Lichtleistung bei 30 Prozent niedrigerem Energieverbrauch. Darüber hinaus ermöglichen sie durch die miniaturisierte Bauweise, dass Scheinwerfer in Zukunft noch kleiner gestaltet werden können als bisher – ohne auf Lichtleistung verzichten zu müssen. Fahrer profitieren vor allem davon, dass diese Fahrzeugscheinwerfer bisher unerreichte Reichweiten bieten. Das sorgt für bessere Sicht und damit für mehr Sicherheit auf der Straße.