Ultrakurzpulslaser-Strukturierung von auf Whispering Gallery Mode-Resonatoren basierender in Glas eingebetteter Verspannungs- und Ermüdungssensoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt, seit 10/2017
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281775518

Aufgrund ihrer exzellenten optischen, mechanischen und ästhetischen Eigenschaften werden Gläser in den verschiedensten Bereichen verwendet. In vielen dieser Anwendungsgebiete, wie zum Beispiel großflächige Solarzellen oder Fassadenverglasungen, steht besonders die mechanische Stabilität und auf eine hohe Transmission im visuellen Wellenlängenbereich im Vordergrund. Obwohl Gläser bereits seit Jahrhunderten genutzt werden, stellt die Bestimmung bzw. Überwachung ihrer mechanischen Festigkeit noch immer eine Herausforderung dar, die noch nicht vollständig gelöst werden konnte. Die Festigkeit von Gläsern variiert typischerweise stark, weshalb einfache Ansätze zu ihrer Bestimmung aufgrund der breiten Verteilung der erhaltenen Messergebnisse ausscheiden. Die Versuchsergebnisse müssen in der Regel statistisch ausgewertet werden. Hierbei kommt z. B. die Weibull-Verteilung zum Einsatz. Obwohl derartige statistische Ansätze die Eigenschaften einer großen Datenmenge gut beschreiben können, kann auf diese Art die Festigkeit einer einzelnen Glasprobe jedoch nicht genau bestimmt werden. Folglich müssen in Anwendungsbereichen, die hohe Sicherheitsstandards verlangen, besonders große Sicherheitsmargen bei der statistischen Betrachtung eingeplant werden um sicherzustellen, dass die geforderten Eigenschaften eingehalten werden. Dies führt häufig zu einer erhöhten Materialdicke, welche Mehrkosten und eine erhöhte Masse mit sich bringt. An dieser Stelle wäre die Erforschung einer Messmethode, welche die zerstörungsfreie Bestimmung der Festigkeit einzelner Glasproben erlaubt und somit eine Auswahl basierend auf den Anforderungen in der jeweiligen Anwendung ermöglicht, ein interessanter Alternativansatz. Hierbei könnte beispielsweise ein Sensor, dessen Signal direkt mit der Festigkeit des Glases korreliert, direkt in das Material integriert werden. Um einen solchen Sensor realisieren zu können, stellen wir in diesem Antrag einenvielversprechenden Ansatz vor: Durch ultrakurzpulslaserbasierte Mikrobearbeitung werden sogenannte Whispering-Gallery-Mode-Ringresonatoren direkt in das Glas geschrieben. In diesen Resonatoren wird einfallendes Licht durch Totalreflexion auf einer Kreisbahn geführt. Hierbei hängen die Resonatoreigenschaften empfindlich von der lokal induzierten optischen Anisotropie und somit auch vom Verspannungszustand der Glasprobe ab. Dabei soll die Korrelation der polarisationsabhängigen Transmissions- bzw. Reflexionsspektren der Resonatoren mit den mechanischen Eigenschaften der Probe, sowie deren Variation bei mechanischer Belastung, überprüft werden. Durch die Möglichkeit die Resonatoren per Laser direkt an verschiedenen Orten und Tiefen in das Glas zu schreiben soll somit die zerstörungsfreie Analyse und Charakterisierung der Festigkeit von Gläsern, besonders in sicherheitsrelevanten Bereichen, ermöglicht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Ilya Alexeev, bis 10/2017