Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7282

Transparente Polymer-Nanokomposite für Anwendungen in der Mikrooptik

Eberhard Ritzhaupt-Kleissl

Zusammenfassung
Im Rahmen der Entwicklung neuer Materialien für Anwendungen in der Mikrooptik wurden durch Dotierstoffvariation polymere Werkstoffe mit gezielt einstellbarem Brechungsindex hergestellt und Funktionsbauteile mit Hilfe etablierter Mikroreplikationstechniken gefertigt. Die Dotierung von transparenten Polymeren, z.B. auf Methacrylatbasis, mit nanoskaligen Keramikpartikeln oder elektronenreichen organischen Verbindungen führt zur Veränderung der optischen Eigenschaften, wie z.B. des Brechungsindexes, bei gleichzeitiger sehr guter Transmission (besser als 90 %/mm) im sichtbaren und nahen infraroten Wellenlängenbereich. Zur Bestimmung geeigneter Materialkombinationen für den Einsatz als Wellenleitermantel bzw. –kern wurden die Polymer-Nanokomposite sowohl hinsichtlich der Transmissionseigenschaften als auch des Brechungsindexes charakterisiert. Die Zugabe von nanoskaligen Dotierstoffen wirkt sich jedoch auch auf die thermomechanischen Eigenschaften der Kompositmaterialien aus. Daher wurden in Abhängigkeit der unterschiedlichen Füllstoffe bzw. Füllstoffgehalte Rheologiemessungen zur Ermittlung des Fließverhaltens, Molekulargewichtsanalysen, Untersuchungen der Glasübergangstemperatur, Bestimmung der Wärmeausdehnung sowie Ermittlung von Zugfestigkeit und Elastizitätsmoduln der Nanokomposite durchgeführt.

Um die längerfristige Einsatzfähigkeit der Polymer-Nanokomposite in einem fertigen mikrooptischen Bauelement auch bei erhöhten Temperaturen zu gewährleisten, wurden Probensätze in einem Trockenschrank ausgelagert und ihre optischen sowie thermomechanischen Eigenschaften in definierten Zeitabständen untersucht.

Die Herstellung mikrostrukturierter Demonstratorbauteile umfasste einen passiven Y-Verzweiger sowie ein elektrooptisches Bauelement, einen Pockels-Modulator. Die Transmissionsfähigkeit der Y-Koppler-Bauelemente betrug mehr als 96 %/mm bei λ = 1550 nm. Die Pockelskonstante des elektrooptischen Funktionsbauteils lag bei r₃₃ = 3,96×10-12 m/V.

Transparent Polymer Nanocomposites for Applications in Microoptics

Abstract
Within the scope of the development of new materials for applications in microoptics, polymers with adjustable refractive indices were fabricated by adding different dopants to the polymer matrix. Functional models were produced using established techniques of micro replication. Doping of transparent polymers, e. g. based on polymethylmethacrylat, with electron rich organic or with inorganic substances influences the optical properties, such as the refractive index while maintaining a high transmittance (better than 90 %/mm) in the region of visible as well as near infrared wavelengths. To identify a combination of materials suitable for applications as core or cladding in an optical waveguide, the polymer nanocomposites were characterised with respect to both their transmittances and their refractive indices. Adding nanoscaled dopants into a polymer matrix also affects the thermomechanical properties of the composites. Therefore, the composites’ rheological behaviour, molecular weight distribution, glass transition temperature, thermal expansion, tensile strength and Young’s modulus depending on dopant concentration in the polymer matrix were analysed. To ensure the long term stability of the polymer nanocompsoites in a microoptical device even at elevated temperatures, several composite test specimens were stored in an oven and analysed with respect to their thermo mechanical properties in definded time intervalls.

The microstructured functional models contained a passive Y-coupler and an electrooptic device, a Pockels modulator. Transmittance of the Y-couplers was better than 96 %/mm applying light with a wavelength of λ = 1550 nm. The Pockels coefficient of the electrooptic device was r₃₃ = 3,96×10-12 m/V.

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