TY  - THES
A1  - Jelken, Joachim
T1  - Surface relief and bulk birefringence gratings in photo-sensitive polymer films
T1  - Realzeit Observierung der Entstehung von Volumen- und Oberflächengittern in photosensitiven Polymerfilmen mittels der Rasterkraftmikroskopie und Messung der Beugungseffizienz
BT  - in-situ probing and manipulation in real time
N2  - This thesis is focused on a better understanding of the formation mechanism of bulk birefringence gratings (BBG) and a surface relief gratings (SRG) in photo-sensitive polymer films. A new set-up is developed enabling the in situ investigation how the polymer film is being structured during irradiation with modulated light. The new aspect of the equipment is that it combines several techniques such as a diffraction efficiency (DE) set-up, an atomic force microscope (AFM) and an optical set-up for controlled illumination of the sample. This enables the simultaneous acquiring and differentiation of both gratings (BBG and SRG), while changing the irradiation conditions in desired way.
The dissertation is based on five publications. The first publication (I) is focused on the description of the set-up and interpretation of the measured data. A fine structure within the 1st-order diffraction spot is observed, which is a result of the inhomogeneity of the inscribed gratings.
In the second publication (II) the interplay of BBG and SRG in the DE is discussed. It has been found, that, dependent on the polarization of a weak probe beam, the diffraction components of the SRG and BBG either interfere constructively or destructively in the DE, altering the appearance of the intensity distribution within the diffracted spot.
The third (III) and fourth (IV) publications describe the light-induced reconfiguration of surface structures. Special attention is payed to conditions influencing the erasure of topography and bulk gratings. This can be achieved via thermal treatment or illumination of the polymer film. Using the translation of the interference pattern (IP) in a controlled way, the optical erase speed is significantly increased. Additionally, a dynamic reconfigurable surface is generated, which could move surface attached objects by the continuous translation of the interference pattern during irradiation of the polymer films.
The fifth publication (V) deals with the understanding of polymer deformation under irradiation with SP-IP, which is the only IP generating a half-period topography grating (compared to the period of the IP) on the photo-sensitive polymer film. This mechanism is used, e.g. to generate a SRG below the diffraction limit of light. It also represents an easy way of changing the period of the surface grating just by a small change in polarization angle of the interfering beams without adjusting the optical pass of the two beams. Additionally, complex surface gratings formed in mixed polarization- and intensity interference patterns are shown.
I J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Applied Physics B, 125 (2019), 218
II J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Appl. Phys. Lett., 116 (2020), 051601
III J. Jelken and S. Santer, RSC Advances, 9 (2019), 20295
IV J. Jelken, M. Brinkjans, C. Henkel and S. Santer, SPIE Proceedings, 11367 (2020), 1136710
V J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Formation of Half-Period Surface Relief Gratings in Azobenzene Containing Polymer Films (submitted to Applied Physics B)
N2  - In dieser kumulativen Dissertation, basierend auf fünf Publikationen, geht es darum ein Verständnis über die grundlegenden Mechanismen zu entwickeln, welche hinter der Entstehung von Oberflächen- und Volumengittern in amorphen photo-sensitiven Polymerfilmen stehen. Hierzu wurde ein neuer Versuchsaufbau entwickelt, welcher in situ (d.h. während der Belichtung mit einem Interferenzgitter) Messungen der zeitlichen Entwicklung (Entstehung oder Löschung) von Volumen- als auch Oberflächengittern unabhängig voneinander ermöglicht. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber dem gängigen Verfahren der Beugungseffizienzmessung dar, weil dort die Anteile der beiden Gitter durch aufwendige mathematische Behandlung voneinander getrennt werden müssen. Hierzu wurde ein Rasterkraftmikroskop (AFM, atomic force microscope) in einen optischen Aufbau zur Erzeugung eines Interferenzgitters, welches zur Belichtung des Polymerfilms benutzt wird, integriert. Zusätzlich wurde außerdem die Beugung eines Sondenstrahls an den entstehenden Gittern detektiert.
Die erste Publikation (I) beschäftigt sich mit der grundsätzlichen Interpretation der mit diesem neuen Messaufbau erzielten Ergebnisse. Es wurde eine Feinstruktur in dem räumlichen Profil der ersten Beugungsordnung gemessen, deren Ursprung aus der Inhomogenität der erzeugten Gitter herrührt.
In der zweiten Publikation (II) wird die Kopplung von Oberflächen- und Volumengitter in der aufgezeichneten Beugungseffizienz untersucht. Es wird gezeigt, dass, abhängig von der Polarisation des Sondierungsstrahls, diese Kopplung sowohl konstruktiv als auch destruktiv sein kann, was auch die in der ersten Publikation beschriebene Feinstruktur beeinflusst.
Die dritte (III) und vierte (IV) Publikation beschäftigen sich mit dem dynamischen Umbau von Oberflächenstrukturen. Hierzu muss das erzeugte Oberflächengitter möglichst schnell wieder gelöscht werden können. Dies kann sowohl thermisch, als auch optisch erfolgen. Durch eine definierte Translation des Interferenzgitters konnte hier die optische Löschgeschwindigkeit signifikant gesteigert werden. Zum anderen wird auch die Möglichkeit des Transports oberflächenadsorbierter Objekte durch die Erzeugung einer dynamisch modulierten Oberfläche (mittels einer kontinuierlichen Translation des Interferenz- und dadurch des Oberflächengitters) aufgezeigt. Die Hypothese des Massentransports wird hierbei kritisch untersucht.
Die fünften Publikation (V) widmet sich dem SP-Interferenzgitter, welches als einziges Gitter eine Periode der Oberflächenstruktur ausbildet, die der Hälfte der Periode des optischen Interferenzgitters entspricht. Diese Eigenschaft kann zum einen für die Erzeugung von Oberflächengittern unterhalb der optischen Auflösungsgrenze benutzt werden, zum anderen erlaubt sie die Periode der Oberflächenstruktur einfach zu ändern, indem die Beleuchtung zu einem anderen Interferenzgitter geschaltet wird. Zusätzlich wird auch die Erzeugung von komplexen Oberflächengittern durch Misch-Interferenzgitter (Mischung aus Polarisations- und Intensitäts-Interferenzgitter) diskutiert.
I J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Applied Physics B, 125 (2019), 218
II J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Appl. Phys. Lett., 116 (2020), 051601
III J. Jelken and S. Santer, RSC Advances, 9 (2019), 20295
IV J. Jelken, M. Brinkjans, C. Henkel and S. Santer, SPIE Proceedings, 11367 (2020), 1136710
V J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Formation of Half-Period Surface Relief Gratings in Azobenzene Containing Polymer Films (eingereicht bei Applied Physics B)
KW  - photosensitive Polymer
KW  - Surface Relief Grating (SRG)
KW  - sub-diffraction gratings
KW  - azobenzene containing molecules
KW  - Atomic Force Microscope
KW  - diffraction efficiency
KW  - photo-structuring of polymer films
KW  - Rasterkraftmikroskopie
KW  - Beugungseffizienz
KW  - Oberflächengitter
KW  - Azobenzol enthaltende Moleküle
KW  - Photostrukturierung von Polymerfilmen
KW  - Photopolymer
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483988
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yadavalli, Nataraja Sekhar
T1  - Advances in experimental methods to probe surface relief grating formation mechanism in photosensitive materials
T1  - Entstehung von Oberflächengittern in lichtempfindlichen Materialien
N2  - When azobenzene-modified photosensitive polymer films are irradiated with light interference patterns, topographic variations in the film develop that follow the electric field vector distribution resulting in the formation of surface relief grating (SRG). The exact correspondence of the electric field vector orientation in interference pattern in relation to the presence of local topographic minima or maxima of SRG is in general difficult to determine. In my thesis, we have established a systematic procedure to accomplish the correlation between different interference patterns and the topography of SRG. For this, we devise a new setup combining an atomic force microscope and a two-beam interferometer (IIAFM). With this set-up, it is possible to track the topography change in-situ, while at the same time changing polarization and phase of the impinging interference pattern. To validate our results, we have compared two photosensitive materials named in short as PAZO and trimer. This is the first time that an absolute correspondence between the local distribution of electric field vectors of interference pattern and the local topography of the relief grating could be established exhaustively. In addition, using our IIAFM we found that for a certain polarization combination of two orthogonally polarized interfering beams namely SP (↕, ↔) interference pattern, the topography forms SRG with only half the period of the interference patterns. Exploiting this phenomenon we are able to fabricate surface relief structures below diffraction limit with characteristic features measuring only 140 nm, by using far field optics with a wavelength of 491 nm. We have also probed for the stresses induced during the polymer mass transport by placing an ultra-thin gold film on top (5–30 nm). During irradiation, the metal film not only deforms along with the SRG formation, but ruptures in regular and complex manner. The morphology of the cracks differs strongly depending on the electric field distribution in the interference pattern even when the magnitude and the kinetic of the strain are kept constant. This implies a complex local distribution of the opto-mechanical stress along the topography grating. The neutron reflectivity measurements of the metal/polymer interface indicate the penetration of metal layer within the polymer resulting in the formation of bonding layer that confirms the transduction of light induced stresses in the polymer layer to a metal film.
N2  - Azobenzolhaltige Polymere gehören zu einer Klasse funktionaler Materialien, bei denen durch ein äußeres Strahlungsfeld eine starke mechanische Reaktion ausgelöst werden kann. Durch die Bindung an das Polymerrückgrat können die Azobenzole, die unter UV-Belichtung eine Photoisomerisierung ausführen, was zum Teil drastische Effekte zur Folge hat. Unter Belichtung mit Intensitätsmustern, d.h. mit räumlich variierender Verteilung der Polarisation oder der Intensität des einfallenden Lichts verändert sich die Topographie der azobenzolhaltigen Filme, was zur Bildung von Oberflächengittern (engl. Surface Relief Gratings, SRG) führt. In dieser Arbeit wurde eine neue Methode vorgeschlagen, bei der das Verhalten elastischer/morphologischer Eigenschaften unter verschiedenen Belichtungsbedingungen, d.h. mit unterschiedlicher Verteilung der Polarisation und der Intensität in situ lokal als Funktion der Position entlang der SRG aufgenommen werden kann. Außerdem wurde hier vorgeschlagen, opto-mechanische Spannungen, die innerhalb der photosensitiven Polymerfilme während der Belichtung entstehen, mit Hilfe dünner aufgebrachter metallischen Schichten abzubilden und zu analysieren.
KW  - Azobenzolhaltige Polymerfilme
KW  - Oberflächengitter
KW  - In-situ Rasterkraftmikroskopie
KW  - Opto-mechanische Spannungen
KW  - Metall/Graphen/Polymer Grenzfläch
KW  - azobenzene polymer films
KW  - surface relief grating
KW  - in-situ atomic force microscopy
KW  - opto-mechanical stresses
KW  - metal/polymer interfaces
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-71213
ER  - 
TY  - THES
A1  - Döring, Sebastian
T1  - Oberflächengitter in azobenzenhaltigen Schichten für organische DFB-Laser
T1  - Surface relief gratings in azobenzene containing layers for organic DFB lasers
N2  - Ein neuentwickeltes azobenzenhaltiges Material, das auf einem supramolekularen Konzept basiert, wird bezüglich seiner Strukturbildung während einer holografischen Belichtung bei 488 nm untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei eindimensionale, sinusförmige Reliefs mit Periodizitäten kleiner 500 nm. Es wird gezeigt, wie der Grad der Vernetzung der photosensitiven Schicht die Strukturbildung in diesem Größenbereich beeinflusst. Zur Maximierung der Strukturtiefe werden gezielt Prozessparameter der Belichtung sowie Materialparameter variiert. Unter Standardbedingungen und moderaten Belichtungsintensitäten von ca. 200 mW/cm² bilden sich innerhalb weniger Minuten bei einer Periode von 400 nm Strukturtiefen von bis zu 80nm aus. Durch die Beeinflussung von Materialparametern, wie Oberflächenspannung und Viskosität, wird die maximale Strukturtiefe auf 160nm verdoppelt. Durch Mehrfachbelichtungen wird auch die Bildung von zweidimensionalen Gittern untersucht. Die Originalstrukturen werden in einem Abformverfahren kopiert und in Schichten von unter UV-Licht aushärtenden Polymeren übertragen. Durch das Abformen kommt es zu einer geringfügigen Verschlechterung der Oberflächenqualität sowie Abnahme der Strukturtiefe. Dieser Verlust wird durch eine Verringerung der Prozesstemperatur verringert. Mithilfe kopierter Oberflächengitter werden organische Distributed Feedback-(DFB)-Laser zweiter Ordnung hergestellt, um den Einfluss von Gitterparametern auf die Emissionseigenschaften dieser Laser zu untersuchen. Dazu erfolgt zunächst die Charakterisierung der optischen Verstärkungseigenschaften ausgewählter organischer Emittermaterialien mittels der Variablen Strichlängenmethode. Das mit dem Laserfarbstoff Pyrromthen567 (PM567) dotierte Polystyrol (PS) zeigt dabei trotz konzentrationsbedingter geringer Absorption eine vergleichsweise geringe Gewinnschwelle von 50µJ/cm² bei ca. 575 nm. Das aktive Gast-Wirt-System der konjugierten Polymere MEH-PPV und F8BT* weist eine hohe Absorption und eine kleine Gewinnschwelle von 2,5 µJ/cm² bei 630 nm auf. Dieses Verhalten spiegelt sich auch in den Emissionseigenschaften der damit hergestellten DFB-Laser wieder. Die Dicke der aktiven Schichten liegen im Bereich hunderter Nanometer und wird so eingestellt, dass sich nur die transversalen Grundmoden im Wellenleiter ausbreiten können. Die Gitterperiode sind so gewählt, dass ein Lichtmode im Verstärkungsbereich des Emittermaterials liegt. Die Emissionslinien der Laser sind mit FWHM-Werten von bis zu 0,3 nm spektral sehr schmalbandig und weisen auf eine sehr gute Gitterqualität hin. Die Untersuchungen liefern minimale Laserschwellen und maximale differentielle Effizienzen von 4,0µJ/cm² und 8,4% für MEH-PPV in F8BT* (bei ca. 640nm) sowie 80 µJ/cm² und 0,9% für PM567 in PS (bei ca. 575 nm). Die Vergrößerung der Strukturtiefe von 40nm auf 80nm in mit MEH-PPV dotierten F8BT*-Lasern zu einem deutlichen Anstieg der ausgekoppelten Energie sowie der differentiellen Effizienz und einem geringen Absinken der Laserschwelle. Dies ist ein Resultat der erhöhten Kopplung von Lasermode und Gitter. Die Emission von DFB-Lasern mit zweidimensionalen Oberflächengittern zeigen eine Verringerung der Divergenz aber kein Einfluss auf die Laserschwelle. Abschließend erfolgt eine Vermessung der Photostabilität von DFB-Lasern unter verschiedenen Bedingungen. Das Einbringen eines konjugierten Polymers in eine aktive Matrix sowie der Betrieb in einer Stickstoffatmosphäre führen dabei zu einer Erhöhung der Lebensdauer auf über eine Million Pulse. Durch die Kombination von Oberflächengittern in PDMS-Filmen mit elektroaktiven Substraten wird eine elektrisch steuerbare Deformation des Beugungsgitters erreicht und auf einen DFB-Laser übertragen. Die spannungsinduzierte Verformung wird zunächst in Beugungsexperimenten charakterisiert und ein optimaler Arbeitspunkt bestimmt. Mit den beiden Elastomeren SEBS12 und VHB4910 werden in den Gittern maximale Periodenänderungen von 1,3% bzw. 3,4% bei einer Steuerspannung von 2 kV erreicht. Der Unterschied resultiert aus den verschiedenen Elastizitätsmoduln der Materialien. Übertragen auf DFB-Laser resultiert eine Variation der Gitterperiode senkrecht zu den Gitterlinien in einer kontinuierlichen Verschiebung der Emissionswellenlänge. Mit einem Spannungssignal von 3,25 kV wird die schmalbandige Emission eines elastischen DFB-Lasers kontinuierlich um fast 50nm von 604 nm zu 557 nm hin verschoben. Aus dem Deformationsverhalten sowohl der reinen Beugungsgitter als auch der Laser werden Rückschlüsse auf die Elastizität der verwendeten Materialien gezogen und erlauben Verbesserungen der Bauteile.
N2  - The photoinduced surface relief formation in a newly developed azobenzene containing material is investigated. A photosensitive film based on a supramolecular material concept is illuminated in a holographic setup with light at 488 nm leading to sinusoidal surface structures. It can be shown how the degree of network formation within the material influences structure formation at periods below 500nm. Different material and process parameters are varied to determine maximum possible structure amplitude. At moderate recording conditions and illumination intensities of 200 mW/cm² maximum structure amplitudes of 80 nm are formed within several minutes at periods of approximately 400 nm. Changing material parameters like surface tension and viscosity leads to an increase of maximum amplitude to 160 nm. Additionally, twodimensional structures are fabricated by multiple recording steps. Original surface structures are copied by soft lithography methods into films of UV cured polymers. This replication leads to a decrease of structure contrast and increase of surface roughness. It is shown that structure contrast is preserved by reduction of process temperature. Organic second order distributed feedback (DFB) lasers are prepared with the help of replicated surface gratings covered with organic active layers with thicknesses of several hundred nanometers. The lasers are investigated regarding the influence of grating amplitude on laser threshold and slope efficiency. For this, the optical gain of two green/red emitter materials, polystyrene (PS) doped with laser dye pyrromethene567 (PM567) and active guest host system of conjugated polymers MEH-PPV and F8BT*, is measured. PS doped with PM567 shows relatively low gain threshold of 50 µJ/cm² at 575 nm caused by the low dye concentration while F8BT* doped with MEH-PPV shows threshold gain of 2.5 µJ/cm² at 630 nm. Similar behavior is observed during laser action. Following Bragg-condition grating periods at approximately 400nm lead to laser emission within the gain spectra of the materials. DFB lasers show single mode narrow line emission with FWHMs of down to 0.3nm. This is a result of high grating quality. Lasers based on MEH-PPV-F8BT* exhibit laser thresholds and slope efficiencies of 4.0µJ/cm² and 8.4%, respectively. PM567-PS lasers exhibit 80 µJ/cm² and 0.9%. An increase of grating amplitude of a MEH-PPV-F8BT*-DFB laser from 40nm to 80nm leads to a considerable increase of energy output and a slight decrease of laser threshold. This is a result of an increase of coupling between light mode and grating which relates to an increase of reflectivity. The use of a two dimensional grating leads to a decrease of divergence angle of laser emission but shows no influence on laser threshold. Finally, laser lifetime is observed under different conditions. Doping the conjugated polymer MEH-PPV in an active matrix in combination with the allocation of nitrogen atmosphere leads to an prolongation of half life time to several million pulses. The combination of elastic surface relief gratings with electro active substrates enables electrical controlled deformation of the surface structure. This deformation is characterized by diffraction measurements. At optimal working conditions electro active substrates based on elastomers SEBS12 and VHB4910 show maximum grating deformation of 1.3% und 3.4% at actuation voltages of 2kV, respectively. The different results are caused by the different elastic modulus of the elastomer materials. The transfer of deformation principle to elastic DFB lasers leads to a continuously shift of emission wavelength. At an actuation voltage of 3.25kV an elastic DFB laser based on polyvinylacetate doped with PM567 shows a shift of nearly 50 nm, from 604 nm to 557 nm. Deformation behavior of grating and laser allow to draw conclusions on elasticity of the material and with this is tool for the improvement of the device.
KW  - Oberflächengitter
KW  - Azobenzen
KW  - Holografie
KW  - DFB-Laser
KW  - Wellenlängenverschiebung
KW  - surface relief grating
KW  - azobenzene
KW  - holography
KW  - DFB laser
KW  - wavelength shift
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59211
ER  -