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Prozessierung und Anwendung SiO2 basierter Lichtleiter für die optische UVC-Gassensorik
Elmlinger, Philipp Simon
Diese Arbeit behandelt die Prozessierung verlustarmer Lichtwellenleiter für einen optischen UVC-Gassensor. Durch optische Simulationen wurde zunächst ein geeignetes Material (amorphes Quarzglas) und Design abgeleitet. Mittels Belichtung mit einem Ultrakurzpulslaser und anschließendem selektiven Nassätzen wurden die Lichtleiter aus dem Wafer strukturiert. Die resultierenden rauen Seitenwände führen zu Dämpfungen von 0,6 bis 0,8 dB/mm. Durch kurzzeitiges Aufschmelzen mit einem CO2-Laser wurden die Seitenwände geglättet, wodurch stark verbesserte Dämpfungswerte von 0,2 bis 0,3 dB/mm erreicht wurden. Mit den strukturierten und polierten Lichtleitern wurden schließlich Sensor-Prototypen aufgebaut und Gaskonzentrationen bis unterhalb von 1 ppm detektiert. Dabei wurden Standardabweichungen des Sensorsignals von unter 300 ppb (NO2) bzw. unterhalb von 100 ppb (SO2) ermittelt. Abschließende Messungen an Gasmischungen zeigten, dass Querempfindlichkeiten des Sensors gegenüber anderen Gasen aus den Absorptionsspektren abgeleitet werden und durch geschickte Wahl der LED-Emissionswellenlänge(n) kompensiert werden können.
This work presents the processing of efficient waveguides for an optical UVC-gas sensor. At the beginning, a suitable material (fused silica) and an optical design was derived by optical system simulations. By irradiation with an ultra-short pulsed laser and selective wet etching, the waveguides were cut out of the silica wafers. The resulting rough sidewalls led to significant transmission losses in the range of 0.6 to 0.8 dB/mm. The rough sidewalls were polished by temporal melting of the silica surface and significantly reduced transmission losses of 0.2 to 0.3 dB/mm were achieved. Finally, the structured and polished waveguides were integrated into a sensor prototype and gas concentrations below 1 ppm were successfully detected. At the same time standard deviations of the sensor signal of less than 300 ppb (NO2) and less than 100 ppb (SO2) were determined. Measurements of gas mixtures showed that cross-sensitivities of the sensor can be derived from the respective absorption spectra of the applied gases and can be compensated by an appropriate selection of the LED emission wavelengths or calculation.
