TRR 123:  Planare optronische Systeme (PlanOS)

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Chemie ; Informatik, System- und Elektrotechnik ; Maschinenbau und Produktionstechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 210420491

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Übergeordnetes Ziel des Sonderforschungsbereichs „Transregio 123 – Planare Optronische Systeme“ (PlanOS) war die Realisierung vollintegrierter, flächiger Sensornetzwerke auf bzw. in dünnen und großflächigen Polymerfolien. Kennzeichen der angestrebten verteilten, großflächigen Sensorik war die Erfassung unterschiedlicher physikalischer Messgrößen der Umwelt wie z.B. Temperatur und Dehnung und deren direkte Umwandlung in optische. Solche Sensorfolien haben das Potenzial völlig neuartige Lösungen im Bereich des Structural Health Monitoring von großen Strukturen oder in der Medizintechnik zu ermöglichen und sind daher im Fokus aktueller Forschung. Für die Realisierung der planar-optischen Sensorsysteme bestehend aus Lichtquellen, Optiken, Lichtleitern, Sensorelementen und Detektoren wurden in PlanOS an innovativen Ansätzen und Technologien in drei Themenbereichen – der Entwicklung von Materialien (Projektbereich A), Herstellungsmethoden (Projektbereich B) und Sensorkonzepten (Projektbereich C) - geforscht. Eine wesentliche Herausforderung lag in der Realisierung vollständig polymerbasierter optischer Messgrößenwandler und integrierter Systeme, die zukünftig mit hochdurchsatzfähigen Herstellungsmethoden gefertigt werden können. Die zu erfassenden Messgrößen waren derart in Eigenschaften des Lichts umzuwandeln, dass Multi-Sensorsysteme geschaffen werden, die vorzugsweise in wenigen Prozessschritten planar integrierbar sind und ortsaufgelöst messen können. In der Förderperiode 2013-2016 standen die Entwicklung maßgeschneiderter Polymermaterialien und dafür geeignete Prozesstechnologien sowie die Simulation und grundlegende Demonstration der Sensorkonzepte anhand diskreter Lösungen im Vordergrund. In Projektbereich A konnte eine Vielzahl der benötigten Polymermaterialien mit maßgeschneiderten optischen, thermo-mechanischen oder viskosen Eigenschaften realisiert werden. Für die Prozessierung dieser Materialien wurden in Projektbereich B Herstellungstechnologien basierend auf Druck-, Heißpräge oder Direktschreib-Verfahren entwickelt. Zudem wurde in Projektbereich C die grundlegende Funktionalität der vorgeschlagenen Sensorkonzepte zur Erfassung von Temperatur und Dehnung sowie zur Analytik, z.B. für die Bestimmung von Brechungsindex und Konzentrationen, untersucht und erste Polymerspektrometer geschaffen. Vielfach wurden hierbei zunächst hybride Systeme auch unter Nutzung von Halbleiterbauelementen aufgebaut, da die notwendigen polymerbasierten Komponenten und Strukturen gleichzeitig erforscht wurden. Weitere Arbeiten konzentrierten sich auf die Entwicklung von Methoden zur Validierung und Kalibrierung der realisierten Sensorsysteme. Bei der Integration der Sensorfolien kam der Planarität eine Schlüsselrolle zu. Sie stellte gleichzeitig eine wesentliche Herausforderung dar, da die realisierten Komponenten und Sensoreinheiten in ein Gesamtsystem integriert werden müssen, sodass ihr Zusammenspiel eine funktionsintegrierte Polymerfolie ergibt. Diese ist sensitiv auf die vorgesehenen Messgrößen, wobei der Einfluss von Störeinflüssen gering oder kontrollierbar bleibt. Die Vielfalt der realisierten Polymermaterialien und Prozesse sowie die demonstrierten Sensorkonzepte stellen eine sehr gute Basis für die zahlreichen Integrationsaufgaben und unterschiedlichen Sensorsysteme dar. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Prozesse so aufeinander abgestimmt sind, dass die eingebrachten Strukturen und Komponenten durch nachfolgende Prozessschritte nicht beeinträchtigt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2013): Fabrication of adhesive lenses using free surface shaping, Journal of the European Optical Society Rapid Publications
  Hoheisel, D.; Kelb, C.; Wall, M.; Roth, B.; Rissing, L.
  
• (2014): Laser printing of silicon nanoparticles with resonant optical electric and magnetic responses, Nature Communications, 5, No. 3402
  Zywietz, U.; Reinhardt, C.; Evlyukhin, A. B.; Chichkov, B. N.
  
• (2014): Laser-ablative engineering of phase singularities in plasmonic metamaterial arrays for biosensing applications, Applied Physics Letters, 104
  Aristov, A. I.; Zywietz, U.; Evlyukhin, A. B.; Reinhardt, C.; Chichkov, B. N.; Kabashin, A. V.
  
• (2014): Viscosity and refractive index tailored methacrylate based polymers, J. Appl. Polym. Sci.
  Hanemann, T.; Honnef, K.
  
• (2015): A flexible, fast, and low-cost production process for polymer based diffractive optics, Optics Express
  Rahlves, M.; Rezem, M.; Boroz, K.; Schlangen, S.; Reithmeier, E.; Roth, B.
  
• (2015): Cladded self-written multimode step-index waveguides using a one-polymer approach, Optics Letters, 40(8), 1830-1833
  Günther, A.; Petermann, A. B.; Gleißner, U.; Hanemann, T.; Reithmeier, E.; Rahlves, M.; Meinhardt- Wollweber, M.; Morgner, U.; Roth, B.
  
• (2015): Digital mirror devices and liquid crystal displays in maskless lithography for fabrication of polymerbased holographic structures, J Micro Nanolithogr MEMS MOEMS
  Rahlves, M.; Kelb, C.; Rezem, M.; Schlangen, S.; Boroz, K.; Gödeke, D.; Ihme, M.; Roth, B.
  
• (2015): Electromagnetic Resonances of Silicon Nanoparticle Dimers in the Visible, ACS Photonics
  Zywietz, U.; Schmidt, M. K.; Evlyukhin, A. B.; Reinhardt, C.; Aizpurua, J.; Chichkov, B. N.
  
• (2015): Light source design for spectral tuning in biomedical imaging, Journal of Medical Imaging, 2, 44501
  Basu, C.; Schlangen, S.; Meinhardt-Wollweber, M.; Roth, B.
  
• (2015): Printing and preparation of integrated optical waveguides for optronic sensor networks, Mechatronics
  Wolfer, T.; Bollgruen, P.; Mager, D.; Overmeyer, L.; Korvink, J. G.
  
• (2015): Realization and performance of an all-polymer optical planar deformation sensor, IEEE Sensors Journal
  Kelb, C.; Rahlves, M.; Reithmeier, E.; Roth, B.
  
• (2015): Viscosity and Refractive Index Adjustment of poly(methyl methacrylate-co-ethyleneglycol dimethacrylate) for Application in Microoptics, Polymers for Advanced Technogies
  Hanemann, T.; Honnef, K.
  
• (2016): All-polymer arrayed waveguide grating at 850  nm: design, fabrication, and characterization, Opt. Lett. 41(17), 3940-3943
  Orghici, R.; Bethmann, K.; Zywietz, U.; Reinhardt, C.; Schade, W.
  
• (2016): All-polymer whispering gallery mode sensor system, Optics Express 24(6), 6052-6062
  Petermann, A.B.; Varkentin, A.; Roth, B.; Morgner U.; Meinhardt-Wollweber, M.
  
• (2016): Asymmetric Mach– Zehnder interferometers without an interaction window in polymer foils for refractive index sensing, Applied Optics Vol. 55, Issue 5, pp. 1124-1131
  Hofmann, M.; Xiao, Y.; Sherman, S.; Gleissner, U.; Schmidt, T.; Zappe, H.
  
• (2016): Cascaded-focus laser writing of low-loss waveguides in polymers, Optics Letters Vol. 41, Issue 6, pp. 1269-1272
  Pätzold, W.; Reinhardt, C.; Demircan, A.; Morgner, U.
  
• (2016): Characterization of femtosecond laser written gratings in PMMA using a phase-retrieval approach, Optical Materials Express, Vol. 6, Issue 10, pp. 3202-3209
  Kelb, C.; Pätzold, W. M.; Morgner, U.; Rahlves, M.; Reithmeier, E.; Roth, B.
  
• (2016): Chip-Level Packaging of Edge-Emitting Laser Diode onto Low-Cost Transparent Polymer Substrates using Optodic Bonding, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
  Wang, Y.; Overmeyer, L.
  
• (2016): Design of all-polymer asymmetric Mach-Zehnder interferometer sensors, Applied Optics 55, 3566-3573 (2016)
  Xiao, Y.; Hofmann, M.; Wang, Z.; Sherman, S.; Zappe, H.
  
• (2016): Direct hot embossing of micro-elements by means of photostructurable polyimide, Journal of Micro/Nanolithography MEMS MOEMS 15(3), 034506 (2016)
  Akin, M.; Rezem, M.; Rahlves, M.; Cromwell, K.; Roth, B.; Reithmeier, E.; Wurz, M.; Rissing, L.; Maier, H.-J.
  
• (2016): Highly sensitive wide range organic photodiode based on zinc phthalocyanine:C60, Physica Status Solidi A
  Döring, S.; Otto, T.; Čehovski, M.; Charfi, O.; Caspary, R.; Kowalsky, W; Rabe, T.
  
• (2016): Ink-jet printed fluorescent materials as light sources for planar optical waveguides on polymer foils, Opt. Eng. 55(10), 107107 (Oct 26, 2016)
  Bollgruen, P.; Gleissner, U.; Wolfer, T.; Megnin, C.; Mager, D.; Overmeyer, L.; Korvink, J. G.; Hanemann, T.
  
• (2016): Kinetics of the Generation of Surface-Attached Polymer Networks through C, H-Insertion Reactions, Macromolecules
  Körner, M.; Prucker, O.; Rühe, J.
  
• (2016): Manufacturing of embedded multimode waveguides by reactive lamination of cyclic olefin polymer and polymethylmethacrylate, Optical Engineering, 55(3), 037103
  Kelb, C.; Rother, R.; Schuler, A.K.; Hinkelmann, M.; Rahlves, M.; Prucker, O.; Müller, C.; Rühe, J.; Reithmeier, E.; Roth, B.
  
• (2016): Methodology for the design, production, and test of plastic optical displacement sensors, Advanced Optical Technologies
  Rahlves, M.; Kelb, C.; Reithmeier, E.; Roth, B.
  
• (2016): On the generation of polyether based coatings through photoinduced C,H insertion crosslinking (CHIC), Macromolecular Chemistry and Physics
  Schuler, A.-K.; Prucker, O.; Rühe, J.
  
• (2016): Optically and rheologically tailored polymers for applications in integrated optics, Sensors, & Actuators A, 241, 224-230
  Gleißner, U.; Khatri, B.; Megnin, C.; Sherman, S.; Xiao, Y.; Hofmann, M.; Günther, A.; Rahlves, M.; Roth, B.; Zappe, H.; Hanemann, T.
  
• (2016): Refractive index increase of acrylate based polymers by adding soluble aromatic guest-molecules, Polym. Adv. Technol.
  Gleißner, U.; Bonaus, S.; Megnin, C.; Hanemann, T.
  
• (2016): Refractive index increase of acrylatebased polymers by adding soluble aromatic guest-molecules, Polymers for Advenced Technologies 28 (4), 506-510
  Gleißner, U.; Bonaus, S.; Megnin, C.; Hanemann, T.
  
• (2016): The Influence of Photo Initiators on Refractive Index and Glass Transition Temperature of Optically and Rheologically adjusted Acrylate based Polymers, Polymers for Advanced Technologies
  Gleißner, U.; Hanemann, T.; Megnin, C.; Wieland, F.
  
• (2016): Ultrafast Surface Plasmon-Polariton Interference and Switching in Multiple Crossing Dielectric Waveguides, Applied Physics B
  Birr, T.; Zywietz, U.; Fischer, T.; Chhantyal, P.; Evlyukhin, A. B.; Chichkov, B. N.; Reinhardt, C.
  
• (2016): Ultrafast surface plasmonpolariton logic gates and half-adder, Optics Express Vol. 23, Issue 25, pp. 31755-31765
  Birr, T.; Zywietz, U.; Chantyal, P.; Chichkov, B. N.; Reinhardt, C.
  
• (2017): Distributed Feedback Ridge Waveguide Lasers Fabricated by CNP Process, Microelectronic Engineering, 181, pp. 29-33
  Becker, J.; Čehovski, M.; Caspary, R.; Kowalsky, W.; Mueller, C.
  
• (2017): Low-loss curved waveguides in polymers written with a femtosecond laser, Optics Express
  Pätzold, W.; Demircan, A.; Morgner, U.
  
• (2017): Phase-Resolved Observation of the Gouy Phase Shift of Surface Plasmon Polaritons, ACS Photonics, 2017, 4 (4), pp 905–908
  Birr, T.; Fischer, T.; Evlyukhin, A.B.; Zywietz, U.; Chichkov, B.N.; Reinhardt, C.
  
• (2017): Refractive index increase of acrylatebased polymers by adding soluble aromatic guestmolecules, Polymers Advanced Technologies
  Gleißner, U.; Bonausa, S.; Megnina, C.; Hanemann, T.
  
• (2017): Sensitivity enhancement of polymeric Mach–Zehnder interferometers by use of thin highindex films, Sensors and Acuators A: Physical 265 , 181–186
  Xiao, Y.; Mendez, S.A.; Hofmann, M.; Gauch, M.; Ehlers, H.; Ristau, D.; Müller, C.W.; Zappe, H.
  
• (2018): Chip-on-Flex Packaging of Optoelectronic Devices in Polymer-Based Planar Optical Interconnects. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 24 (6), 6101208
  Wang, Y.; Overmeyer, L.
  
• (2018): Optical and Thermomechanical Properties of Doped Polyfunctional Acrylate Copolymers, Polymers, 10, 337
  Hanemann, T.; Honnef, K.
  
• (2018): Thermally assisted nanosecond laser generation of ferric nanoparticles, Applied Physics Letters 112, 113103
  Kurselis, K.; Kozheshkurt, V.; Kiyan, R.; Chichkov, B.; Sajti, L.