Flächenlichtmodulatoren (Spatial Light Modulators, SLMs) ermöglichen es, Licht in Amplitude und Phase, auf mikroskopischer Ebene präzise und mit hoher Geschwindigkeit zu modulieren. Als Schlüsseltechnologie moderner optischer Anwendungen bilden sie die Grundlage für Fortschritte in der Mikrolithografie, der Mikroskopie und der adaptiven Optik sowie bei holografischer Bild- und Mustererzeugung und im Quantencomputing. Das Institut entwickelt SLMs auf Basis mikroelektromechanischer Systeme (MEMS). Diese SLMs bilden eine vielseitige Technologieplattform für Wellenlängen vom tiefen Ultraviolett (DUV) bis zum Nahinfrarot. Auf dieser Grundlage realisiert das Fraunhofer IPMS anwendungsspezifische Lösungen, die auf die Anforderungen seiner Partner zugeschnitten sind.
Neue Einsatzfelder für SLM-Technologien
Jüngste Fortschritte in der Flächenlichtmodulation erweitern das Spektrum möglicher Anwendungen:
In der Mikroskopie lassen sich Proben mithilfe präzise gesteuerter einachsiger Kippspiegel selektiv und hochauflösend ausleuchten. In der Halbleiterindustrie helfen Modulationsverfahren im UV- und DUV-Spektralbereich, Lithografieprozesse zu optimieren. Auch für die Materialbearbeitung bietet die Technologie Potenzial: Mithilfe zweiachsiger Kippspiegel lässt sich Licht verlustarm umverteilen und so die Effizienz der Materialbearbeitung steigern. Für die 3D-Holografie ermöglicht die präzise Phasenmodulation die Erzeugung echter räumlicher Darstellungen. Anders als bei 2D-Darstellungen mit simuliertem Tiefeneindruck entsteht dabei ein tatsächlich dreidimensionales Hologramm.
Die SLMs des Fraunhofer IPMS können die Lichtintensität präzise steuern. Die Amplitudenmodulation eröffnet Anwendungen, etwa in der Laserstrahlformung, der optischen Signalverarbeitung und bei fortschrittlichen Displaytechnologien.
Im Quantencomputing formen SLMs Laserstrahlen mithilfe holografischer Verfahren. So entstehen fokussierte Lichtpunkte, die als optische Pinzetten einzelne neutrale Atome festhalten. Zahlreiche Atome lassen sich dadurch gleichzeitig in flexiblen Anordnungen kontrollieren. Die Lichtmuster können dynamisch an unterschiedliche Quantenoperationen angepasst werden. Der Betrieb der SLMs im ultravioletten Wellenlängenbereich unterstützt zudem die erforderliche Anregung der Atome.
Evaluierungskits für vielseitige Flächenlichtmodulatoren
Damit interessierte Unternehmen Flächenlichtmodulatoren erproben können, bietet das Fraunhofer IPMS Evaluierungskits an. Mit einem solchen Kit lassen sich verschiedene Spiegelarchitekturen auf derselben Plattform testen. Je nach eingesetztem Aktor können die Mikrospiegel gekippt oder vertikal ausgelenkt werden.
Das „DIFFRACTIVE MEMS KIT“ basiert auf einem Array aus analogen Kipp-Mikrospiegeln und ermöglicht eine hochauflösende optische Amplitudenkontrolle bei hoher Geschwindigkeit. Alternativ ist das Kit auch mit einem analogen Senkspiegelarray zur Phasenmodulation erhältlich. „Ein diffraktives optisches Bauelement reflektiert Licht nicht einfach nur wie ein herkömmlicher Spiegel. Seine speziell gestaltete Struktur beugt das Licht und lenkt es dadurch in bestimmte Richtungen“, erklärt Dr. Michael Wagner, Leiter des Geschäftsfeldes Spatial Light Modulators am Fraunhofer IPMS. „Unser diffraktiver MEMS-Baustein verfügt über 256 × 256 einzeln ansteuerbare Kippspiegelelemente mit einer Kantenlänge von jeweils 16 Mikrometern. Jedes Spiegelelement lässt sich unabhängig und nahezu stufenlos zwischen der Ausgangsposition und einer definierten Kippstellung bewegen. So lässt sich das Licht gezielt in unterschiedliche Richtungen lenken. Der Baustein eignet sich sowohl für DUV-Licht als auch für längere Wellenlängen.“
Das Kit umfasst neben dem Mikrospiegelchip die vollständige Ansteuerungselektronik, eine Schnellstart-Software und eine flexible PC-Schnittstellenbibliothek.
Die Einsatzmöglichkeiten reichen von 3D-Displays und spiegelbasierter adaptiver Optik bis zum Quantencomputing mit neutralen Atomen. Auf der Photonix Japan präsentiert Patrick Recknagel die Technologie und erläutert ihre wichtigsten Prinzipien, Leistungsmerkmale und Anwendungsfälle für Industrie und Forschung. Die Technologie könnte damit innovative industrielle Lösungen und wissenschaftliche Fortschritte, etwa in der Astronomie und im Quantencomputing, fördern.
Kooperationsmöglichkeiten: Vom Machbarkeitsnachweis bis zur kundenspezifischen Entwicklung
Das Fraunhofer IPMS bietet Unternehmen und Forschungseinrichtungen verschiedene Kooperationsmodelle an. „Unsere Evaluierungskits ermöglichen es, die SLM-Technologie in der eigenen Anwendungsumgebung zu validieren. Für spezifische Anforderungen entwickeln wir kundenspezifische SLMs – von der ersten Machbarkeitsanalyse bis zur Pilotserienfertigung. Unsere Expertise reicht vom Design über die Prozessentwicklung bis zur Systemintegration“, sagt Wagner.
Über das Fraunhofer IPMS
Das Fraunhofer IPMS ist ein international führender Forschungs- und Entwicklungsdienstleister für elektronische und photonische Mikrosysteme. Unsere Technologien kommen in Industrie, Mobilität, Biotechnologie und Medizintechnik zum Einsatz. Zugleich konzentrieren wir uns auf zentrale Zukunftsfelder wie Quantentechnologien und neuromorphes Computing. Mit unserer Forschung zur grünen Mikroelektronik leisten wir einen Beitrag zu einer ressourcenschonenden und nachhaltigen Welt.
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Weiterführende Links
👉 www.ipms.fraunhofer.de
Foto: Fraunhofer IPMS
