THz Microscopy of Additive Manufactured Microstructures

Hampel, Benedikt

THz microscopy was employed to investigate reflection and diffraction properties of additive manufactured structures in this thesis. These structures were irradiated by a far-infrared laser. The THz microscope was developed at the Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik. It generates three dimensional images by moving a sensor above a sample. The sensors are Josephson cantilevers, which consist of the high temperature superconductor YBa2Cu3O7 on LaAlO3 bicrystal substrates. These sensors are sensitive to high frequency electromagnetic radiation, static magnetic fields and temperature fields. A pre-characterization of the sensors is necessary. It can be performed in the THz microscope or in a separate setup. A scanning force procedure can be employed to collect topological data in addition. Furthermore, the Josephson cantilever can be complemented by other sensors such as pyroelectric detectors. These are also sensitive for high frequency radiation and are available at favorable prices. Though, they cannot reach the spatial resolution of the Josephson cantilever and not their frequency resolution. The far-infrared laser is optically pumped by a carbon dioxide laser. The Gaussian beam is quasi-optically coupled into the THz microscope by multiple mirrors and lenses. The calculated beam parameters are verified by measurements. Additive manufacturing processes offer the opportunity to manufacture prototypes for optical components very fast. The printing processes stereolithography (SLA), fused deposition modeling (FDM) and ceramic paste extrusion can be employed for different applications. Metrology is gaining importance in the field off additive manufacturing to obtain reproducible results. Diffraction gratings are optical components which are particularly suited for beam manipulation. Multiple diffraction gratings were calculated, constructed and eventually additively manufactured. These objects were implemented into the THz microscope and the diffraction patterns were investigated.

In dieser Arbeit wird ein THz-Mikroskop eingesetzt, um additiv gefertigte Strukturen auf ihre Reflektions- und Beugungseigenschaften bei Bestrahlung mit einem Ferninfrarotlaser zu untersuchen. Das THz-Mikroskop wurde am Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik aufgebaut. Es erzeugt dreidimensionale Bilder durch die räumliche Bewegung eines Sensors oberhalb einer zu untersuchenden Probe. Hierbei kommen als Sensoren Josephson-Cantilever zum Einsatz, die aus dem Hochtemperatur-Supraleiter YBa2Cu3O7 auf LaAlO3 Bikristall-Substraten bestehen. Diese Sensoren sind für hochfrequente elektromagnetische Strahlung, statische Magnetfelder und Temperaturfelder empfindlich. Die hierfür vor dem Einsatz erforderliche Charakterisierung der Sensoren kann sowohl im THz-Mikroskop selbst, als auch in einem gesonderten Messaufbau erfolgen. Zusätzlich können im THz-Mikroskop auch topografische Daten mit einem Rasterkraft-Verfahren aufgenommen werden. Außerdem kann der Josephson-Cantilever durch andere Sensoren, wie beispielsweise pyroelektrische Detektoren, ergänzt werden. Diese sind ebenfalls empfindlich für hochfrequente elektromagnetische Strahlung und bieten eine günstige Alternative. Dabei erreichen sie aber weder die räumliche Auflösung des Josephson-Cantilevers noch dessen Frequenzauflösung. Der Ferninfrarotlaser wird durch einen Kohlendioxidlaser optisch gepumpt. Der gaußförmige Strahl wird über mehrere Spiegel und Linsen quasioptisch in das THz-Mikroskop eingekoppelt. Die berechneten Strahlparameter werden durch Messungen verifiziert. Additive Fertigungsverfahren bieten die Möglichkeit Prototypen für optische Komponenten sehr schnell zu fertigen. Die Verfahren der Stereolithografie (SLA), der Schmelzschichtung (FDM) und der keramische Pastendruck können für sehr unterschiedliche Anwendungen genutzt werden. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, kommt der Metrologie im Bereich der Additiven Fertigung eine immer größer werdende Rolle zu. Beugungsgitter eignen sich besonders als optische Komponenten zur Strahlmanipulation. Diverse Beugungsgitter wurden ausgelegt, konstruiert und schließlich additiv gefertigt. Diese Objekte wurden abschließend im THz-Mikroskop eingebaut und die Beugungsmuster dreidimensional untersucht.

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Hampel, Benedikt: THz Microscopy of Additive Manufactured Microstructures. Berlin 2018. Mensch und Buch.

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