hocheffiziente transmissionsgitter für das sentinel-5

FIB: cross section
SiO2
Ta2O5
TiO2
1
HOCHEFFIZIENTE TRANSMISSIONSGITTER
FÜR DAS SENTINEL-5 NIR-SPEKTROMETER
HIGH-EFFICIENCY TRANSMISSION GRATINGS
FOR THE SENTINEL-5 NIR-SPECTROMETER
Spezialisierte Spektrometergitter für weltraumgestützte Missi-
Custom-made gratings for spaceborne spectroscopic applica-
onen sind einer der Schwerpunkte der Arbeiten des Center for
tions are one of the central aspects of work at the Center for
Advanced Micro- and Nano-Optics (CMN).
Advanced Micro- and Nano-Optics (CMN).
Für derartige Anwendungen können die am CMN gebündelten
Technologien der hochgenauen Elektronenstrahllithographie
accurate electron beam lithography and reactive ion-etching
und reaktiven Ionenätzprozesse für die Strukturübertragung in
for the pattern transfer, bundled at the CMN.
Kieselglas (fused silica, SiO2) vorteilhaft eingesetzt werden.
Over the course of recent years, new grating concepts have
Durch die Kombination mit Verfahren zur optischen
been developed at the CMN, combining the established
Beschichtung, insbesondere der Atomic-Layer-Deposition
grating technology with optical coatings – especially
(ALD), wurden in den letzten Jahren neuartige Gitterkonzepte
atomic-layer-deposition (ALD). In comparison to gratings
entwickelt, welche die Anwendungsmöglichkeiten gegenüber
ausschließlich in Kieselglas ausgebildeten Gittern erheblich
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erweitern. Im Rahmen einer Vorstudie zur Sentinel-5 Mission
framework of a pre-development study for the Sentinel-5
der Europäischen Weltraumbehörde ESA wurde ein solches
mission of the European Space Agency, such a grating –
Gitter für das NIR Band zwischen 750 nm – 775 nm
intended for the NIR spectral band between 750 nm and
entworfen, hergestellt und charakterisiert.
775 nm – was designed, realized and characterized.
Ziel der Sentinel-5 Mission ist die Beobachtung der Atmosphä-
The Sentinel-5 mission aims at monitoring the composition
renzusammensetzung bezüglich Luftqualität, Ozon, Treib-
of the atmosphere, analyzing air-quality, stratospheric ozone
hausgasen sowie Solarstrahlung mit hoher Sensitivität /1/. Dies
and solar radiation /1/. The high requirements of sensitivity
and resolution, in particular, pose a challenge to the optical
der optischen Gitter, die als dispersive Kernkomponenten der
gratings as the key components of the spectrometer.
Spektrometer zum Einsatz kommen.
For the NIR grating of Sentinel-5, the main challenge involved
1 Querschnitt durch das Transmissionsgitter nach Verfüllung mit TiO2 und Überschichtung mit
Ta2O5 und SiO2 . | 2 and coating with
Ta2O5 and SiO2.
32
OPTISCHE KOMPONENTEN UND SYSTEME
Im vorliegenden Fall bestand die wesentliche Herausforderung
the required combination of a mostly polarization-independent
in der geforderten Kombination einer weitestgehend polarisa-
*+3
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@QQX$%Y
einer Gitterperiode von nur 441 nm. Diese Anforderungen sind
with monolithic fused-silica gratings. However they can
mit monolithischen SiO2-Gittern praktisch nicht realisierbar. Das
be realized by the devised approach of a fused silica based
optische Design des Gitters kombiniert daher ein Grundgitter
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aus Kieselglas mit einer hochbrechenden Verfüllung aus TiO2
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sowie zwei weiteren optischen Schichten aus Ta2O5 und SiO2,
The fabrication approach had to be optimized to successfully
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realize the design. The process of reactive ion etching was
optimized, aiming for a slightly trapezoidal shape of the
Für eine erfolgreiche Umsetzung des Designs konnte der
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technologische Ablauf erfolgreich optimiert werden. Um die
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Verfüllung mittels ALD zu ermöglichen, wurde hierfür der
with Ta2O5 and SiO2.
Prozess des reaktiven Tiefätzens mit dem Ziel, leicht trapez9:$
The generated gratings were thoroughly characterized, achie-
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TiO2 verfüllt und mit Ta2O5 und SiO2 beschichtet.
at a very low polarization sensitivity of less than 5%.
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Parts of the project have been funded by DLR Space Administ-
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ration under project FKZ 50EE 1204.
mit einem Polarisationskontrast von weniger als 5%, nahezu
References / Literatur
polarisationsunabhängig.
/1/ www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Copernicus/Sentinels_-4_-5_and_-5P.
100
Diffraction Efficiency [%]
98
96
94
92
AUTHO RS
90
Frank Fuchs
88
TE
86
TM
84
TE Fit
82
TM Fit
80
0,75
0,755
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Dirk Kampf1
&'(
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-!%1
0,76
0,765
0,77
Wavelength [μm]
2 missionsgitters. | grating shown in Fig. 1.
0,775
1
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CONTA CT
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33