Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme zum Durchstimmen von Lasern und durchstimmbare Laser.

Insbesondere betrifft die Erfindung durchstimmbare Laser für den mittleren Infrarotbereich (MIR-Bereich). Diese werden insbesondere benötigt für die Spektroskopie. Beispiele: Atemgasanalyse (CO _?. , Stickstoff etc.), Analyse von Lebensmitteln (Schimmelpilze, Proteingehalt, Fettgehalt etc.), Umweltmess- technik (Feinstaub, Verschmutzung durch Kohlenwasserstoffe etc.), Nachweis von Explosivstoffen, Prozessanalytik in der chemischen und pharmazeutischen Industrie.

Die Wellenlänge des Lasers wird schrittweise oder kontinuierlich verändert. Der emittierte Laserstrahl durchlauft den zu analysierenden Stoff (Transmis- sions-/Absorptionsspektroskopie) oder wird von diesem reflektiert (Reflexionsspektroskopie). Die Intensität des resultierenden Signals wird wellenlän- genabhängig mittels eines Detektors bestimmt. Das so gewonnene Spektrum dient als Grundlage für die Bestimmung der Zusammensetzung des unter- suchten Stoffs.

Die Durchstimmung muss entweder kontinuierlich oder quasikontinuierlich, d. h. in so kleinen Schritten erfolgen, dass eine geeignet hohe spektrale Auflösung erreicht wird. Ansonsten würden wichtige stoffcharakteristische Ab- sorptionslinien nicht oder nicht hinreichend aufgelöst, wodurch die Identifikation erschwert oder verhindert wurde.

Je nach zu untersuchender Substanz sind bestimmte Wellenlängenausschnitte im MIR-Bereich von Interesse.

Dabei ergibt sich die Forderung, eine miniaturisierte kontinuierlich durchstimmbare MIR-Laserquelle zur Verfügung zu stellen, welche flexibel auf den erforderlichen Wellenlängenbereich eingestellt werden kann. Weitere Forderung ergeben sich aus der Notwendigkeit auch dynamische Prozesse zu untersuchen, was eine schnelle Durchstimmbarkeit erfordert und aus der Notwendigkeit eine hohe optische Kopplungseffizienz zu erreichen, was erfor- dert, dass der Resonator durch einen Spiegel bzw. ein Beugungsgitter abgeschlossen wird, der bzw. das über geeignet große Abmessungen verfügt.

Ein erster bekannter Lösungsansatz betrifft den Einsatz breitbandig emittierender Lichtquellen.

Im MIR-Bereich werden teilweise breitbandig emittierende Lichtquellen eingesetzt, wie z. B. ein Globar, die für die Spektroskopie mit einem wellenlan- genselektiven Element kombiniert werden. Ein solches wellenlangenselekti- ves Element stellt z. B. ein durchstimmbares Fabry- Perot-Filter dar. Alterna- tiv werden die breitbandigen Lichtquellen mit einem Fourier-Transformations- Spektrometer kombiniert.

Bei Verwendung eines Fabry-Perot-Filters ist zu beachten, dass die erzielbare Auflösung des Filters und der freie spektrale Bereich streng korreliert sind. Der für die flexible Einsetzbarkeit erforderliche weite Durchstimmbereich ist damit nur bei entsprechender signifikanter Reduktion der Auflösung erreichbar. Um sowohl einen weiten Durchstimmbereich, als auch eine hohe Auflösung zu erzielen, ist eine Kombination mehrerer Filter mit unterschiedlichen freien Spektralbereichen erforderlich, was die Komplexität und Herstellungs- kosten der Systeme erhöht.

Generell müssen für die Durchstimmbarkeit der Filter und der hochreflektierende Spiegel gegeneinander senkrecht verschoben werden - oder die Anordnung wird bzgl. des einfallenden Strahls gedreht. Diese Aktuation wird heute vor allem durch feinmechanisch hergestellte Motoren, z. B. Schrittmotoren, durchgeführt. Der Miniaturisierungsgrad ist damit deutlich eingeschränkt. Alternativ könnten MEMS-Fabry-Perot-Filter eingesetzt werden (MEMS = Mikroelektromechanisches System), z, B, von der Firma Axsun

Technologies, allerdings nur für den nahen Infrarotbereich (NIR-Bereich). Hierbei wird ein hoher Miniaturisierungsgrad erreicht. Die MEMS basierte Herstellung erfordert jedoch den Einsatz ausgewählter Schichten für die Herstellung der hochreflektierenden Bragg-Reflektoren. Während im NIR- Bereich typische Kombinationen von hoch- und niederbrechenden Schichten gut in MEMS-Technologie zur Verfügung zu stellen sind, würden im MIR Bereich Materialien wie z, B. CaF ₂ oder andere Nichtstandardmaterialen benötigt.

Fourier-Transformations-Spektrometer sind im Allgemeinen aufgrund der erforderlichen Modulation der optischen Weglänge langsam, schwer und nicht portabel, da stark vibrationsempfindlich. Auch wenn erste MEMS- basierte Lösungsansätze hier vielversprechend sind, bleibt das generelle Problem, dass für den MIR-Bereich gekühlte Detektoren erforderlich sind. Diese weisen entweder eine sehr hohe elektrische Leistungsaufnahme auf (thermoelektrischer Kühler. Peltier-Element) oder müssen mittels flüssigem Stickstoff gekühlt werden.

Ein weiterer bekannter Lösungsansatz betrifft den Einsatz schmalbandig emittierender Lichtquellen.

Ein alternativer Ansatz ist der Einsatz von schmalbandig emittierenden Lichtquellen, also Lasern, wobei die emittierende Wellenlänge durch ein geeignetes optisches Element verändert werden kann. Im MIR-Bereich haben sich Quantenkaskadenlaser durchgesetzt, da andere Lasertypen diesen Wellen- langenbereich de facto nicht abdecken. Zur Durchstimmung der emittierten Wellenlänge werden üblicherweise wellenlängenselektive optische Elemente außerhalb des Laserchips eingesetzt, welche die externe Laserkavität begrenzen bzw. innerhalb der externen Laserkavität angeordnet sind. Als erstes Beispiel für ein solches optisches Element soll ein Fabry-Perot- Filter dienen, der bereits oben beschrieben wurde. Fig. 1 zeigt die prinzipielle Anordnung mit einem Quantenkaskaden-Laserchip, einer Linse zur Strahlkol- limation, zwei durchstimmbaren (Fabry- Perot) Filtern und einem hochreflektierenden Spiegel, welcher die externe Kavität abschließt. Der erste Spiegel der Kavität wird durch die Seitenfläche der Laserdiode gebildet (in der Fig. 1 ist dies die linke Seite der Laserdiode). Zur Erweiterung der Durchstimmbar- keit wurden, wie bereits oben beschrieben, zwei Fabry-Perot-Filter hintereinander geschaltet.

Lediglich die Wellenlängen, die die beiden Filter transmittieren, werden im Resonator verstärkt und werden somit von der Laseranordnung emittiert. Die prinzipiellen oben erörterten Nachteile, welche sich durch Verwendung von Fabry-Perot-Filtern ergeben, bleiben erhalten.

Ein alternativer Ansatz ist in Fig. 2 dargestellt. Hier wird ein Beugungsgitter eingesetzt, weiches die Funktion des Fabry-Perot-Filters und des hochreflektierenden Spiegels erfüllt.

Auf das Beugungsgitter treffen die verschiedenen Wellenlängen, welche von dem Laserchip emittiert werden, auf. Abhängig von der Gitterperiode und vom Einfallwinkel a, der durch Drehung des Gitters variiert werden kann, wird in der ersten Beugungsordnung nur eine Wellenlange so gebeugt, dass sie kollinear zum einfallenden Strahl zurück zum Laserchip läuft. Diese Wellenlänge wird entsprechend verstärkt, so dass die Anordnung bei dieser Wellenlange emittiert. Für diese Wellenlänge wirken das Beugungsgitter und der zweite hochreflektierende Spiegel, durch den der Laserresonator abgeschlossen wird, als Fabry-Perot- Filter. Der Filter und die vom Beugungsgitter in den Resonator zurückgebeugte Wellenlänge müssen aufeinander abgestimmt sein. Sie verändern ihre Eigenschaften jedoch mit dem Drehwinkel des Gitters gemäß unterschiedlicher Winkelfunktionen. Wird also das Gitter gedreht und somit eine andere Wellenlänge zurückgebeugt, so muss die Re- sonatorlänge angepasst werden, um Modensprunge zu vermeiden. Der Drehpunkt des Beugungsgitters muss dabei für jede Konfiguration (Gitterperiode, Mittenwellenlänge des Durchstimmbereichs) individuell bestimmt und eingestellt werden, so dass ein kontinuierlicher Durchstimmbereich ermöglicht wird. Eine einfache flexible Umkonfigurierung würde einen in einfacher und automatisierter Weise veränderlichen Drehpunkt erfordern. In heute bekannten technischen Lösungen werden für die Drehung des Beugungsgitters vor allem feinmechanisch hergestellte Motoren eingesetzt, welche zur Veränderung der Lage des Drehpunktes jedoch ummontiert werden müssen. Die Miniaturisierung ist, neben der nicht vorhandenen direkten Flexibilität für unterschiedliche Wellenlangenbereiche, nicht gegeben.

Sehr ähnlich ist die Variante in Fig. 3, bei der das Beugungsgitter fest steht und stattdessen ein Spiegel drehbar ist. Durch diese sogenannte Littmann- Konfiguration wird erreicht, dass die Resonatorlänge - und damit die durch die Fabry-Perot-Filter-Wirkung des Resonators definierte Wellenlänge - und die durch die Verkippung des Spiegels zurückgebeugte Wellenlänge sich mit derselben Winkelfunktion ändern. Dafür ist ein geeigneter Drehpunkt zu wählen, der dann jedoch fest bleiben kann. Dieser Drehpunkt liegt üblicherweise deutlich außerhalb der Gitterstruktur.

Beispiele miniaturisierter Aufbauten in MEMS-Technologie für durchstimmba- re Laserquellen im sichtbaren Bereich (VIS-Bereich) und NIR-Bereich bis 2 pm sind z B. von A. Q. Liu et al. beschrieben. (A. Q. Liu et al.:„A review of MEMS external-cavity tunable lasers", J. Micromech. Microeng. 17 (2007), R1-R13 und A. Q. Liu et al.:„Tunable laser using micromachined grating with continous wavelength tuning", Appl. Physics Letters, Vol. 85 (2004}, 5. 3684- 6) Im einen Fall wird das Gitter und der elektrostatische Aktor zur Drehung des Beugungsgitters mittels tiefem reaktiven lonenätzen (DRIE) in Silizium hergestellt. Das Beugungsgitter hat in vertikaler Richtung aufgrund der Ätztechnik eine eingeschränkte Abmessung. Typische Werte liegen hier bei 100 μιη. Dadurch wird die Kopplungseffizienz vor allem bei stark divergenten Laserdioden deutlich eingeschränkt. Zusätzliche optische Komponenten, wie z. B. Zylinderlinsen wären erforderlich, um eine höhere Effizienz zu erzielen. Beim tiefen reaktiven lonenätzen ist die Oberflächenqualität der Seitenwände aufgrund des sogenannten Scallopings (Riefenbildung durch das sequentielle Ätzen und Passivieren beim DRIE-Prozess) eingeschränkt. Dies wirkt sich ebenfalls negativ auf die Kopplungseffizienz aus. Ein solcher Effekt tritt im Übrigen bei allen DRIE geätzten Strukturen auf, so dass auch eine so hergestellte Spiegelfläche denselben Nachteil aufweist. Schließlich ist für den Fall eines mittels DRIE geätzten Beugungsgitters zu beachten, dass sich die Gitterstruktur, die durch die Ätzmaske definiert wird, sich mit zunehmender Tiefe immer starker von der Struktur an der Oberflache unterscheidet. Auch dies wirkt sich negativ auf die Gitterqualität und damit die Kopplungseffizienz aus.

Die prinzipiellen Nachteile einer DRIE geätzten Struktur sind auch bei dem Beispiel von W. Huang (W. Huang et al: "Precision MEMS flexure mount for a Littman tunable external cavity iaser", 1EE Proc.-Sci. Meas. Technol. Vol

151 (2) (2004), S. 67-75.) gegeben. Hier wird ein über elektrostatische Aktoren verkippbarer Spiegel beschrieben, wobei Aktoren und Spiegelflache durch DRIE hergestellt wurden. Durch eine komplexe Festkörperaufhängung und unterschiedliche Aktoren für eine Verkippung und eine Translation kann der virtuelle Drehpunkt des Spiegels weit außerhalb des Chips liegen, so dass der Chip klein gehalten werden kann. Die beiden Bewegungen sind allerdings nicht voneinander unabhängig und erfordern damit eine komplexe Ansteuerung. Der erreichbare Verkippungswinkel von ca. 0,1 ° ist relativ gering, jedoch für einen Durchstimmbereich von +/-50 nm ausreichend. Die Länge des Spiegels beträgt 2,3 mm, die Höhe aus oben genannten Gründen lediglich 75 μηη.

Um die geringe Höhe des DRIE-Spiegels bzw. -Beugungsgitters zu kompensieren, werden z. B. Zylinderlinsen eingesetzt. Die Anforderung an die Qualität der Linsen und der Aufwand für die Justage können mit zunehmender Abmessung des Spiegels bzw. des Beugungsgitters verringert werden, wes- wegen Spiegel/Beugungsgitter mit einer Länge und Höhe deutlich größer 100 pm zu bevorzugen sind. Hinzu kommt, dass die für den MIR-Bereich erforderlichen Gitterstrukturen mit der Wellenlänge skalieren und hier somit größere Beugungsgitter/Spiegel benötigt werden als dies für den NIR-Bereich der Fall wäre.

Ein anderer Ansatz, um die Veränderung der Resonatoriänge bei Drehung des Gitters in der Littrow-Konfiguration zu kompensieren, besteht in der Verwendung von feinmechanischen piezoelektrischen Aktoren zur translatorischen Verschiebung des Gitters oder des Resonatorspiegels.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Durchstimmbarkeit von Lasern zu verbessern.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine mikromechanisch gefertigte optische Vorrichtung umfassend: einen Träger zum Tragen der mikromechanisch gefertigten Vorrichtung; ein Beugungsgitter zum Beugen von Licht; eine Platte zum Tragen des Beugungsgitters; und eine Auslenkeinrichtung zum Auslenken der Platte gegenüber dem Träger, wobei die Auslenkeinrichtung eine Lagereinrichtung zum beweglichen Lagern der Platte und eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der Platte aufweist: wobei die Auslenkeinrichtung zur rotatorischen Auslenkung der Platte und zur translatorischen Auslenkung der Platte ausgebildet ist. Durch die Verwendung der MEMS Technologie kann das Beugungsgitter mit hoher optischer Qualität und mit großen Abmessungen hergestellt werden. Abmessungen von mehreren Millimetern sind ohne weiteres möglich. Das Beugungsgitter kann insbesondere durch Schichtabscheidung oder Strukturierung hergestellt werden. Das so hergestellte Beugungsgitter unterscheidet sich daher signifikant von den oben beschriebenen durch DRIE hergestellten optischen Oberflächen.

Durch eine geeignete Kombination von Rotation und Ansatz von der Platte, auf welcher das Beugungsgitter angeordnet ist, kann eine Rotation um einen weit entfernten Drehpunkt realisiert werden. Hierdurch kann ein Laser ohne Modensprünge durchgestimmt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vereint damit die Vorteile der Einfachheit des Aufbaus, der hohen optischen Qualität sowie eines modenhoppingfreien Betriebs.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Beugungsgitter zum Beugen von Licht im mittleren Infrarotbereich ausgebildet. Auf diese Weise ist es möglich, einen im mittleren Infrarotbereich arbeitenden Laser durch zustimmen. Der mittlere Infrarotbereich betrifft die Wellenlängen im Bereich von 2,5-25 pm.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Lagereinrichtung elastisch verformbare Lagerelemente. Derartige Lagerelemente ermöglichen eine ausreichende Beweglichkeit der Platte und können durch MEMS- Technologien einfach und präzise hergestellt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Platte ein Positionssensor zugeordnet, welcher zur Messung der rotatorischen Auslenkung und/oder zur Messung der translatorischen Auslenkung der Platte ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, die Bewegung der Platte nicht nur zusteuern (open-loop-control) sondern auch zu regeln (closed-loop-control), was der

Präzision der rotatorischen Auslenkung und/oder der translatorischen Auslenkung der Platte zugute kommen kann. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Antriebseinrichtung eine elektrostatische Antriebseinrichtung, welche mindestens eine Elektrodenanordnung und eine Steuerungseinrichtung zum Beaufschlagen der mindestens einen Elektrodenanordnung mit einer Steuerspannung umfasst. Eine elektrostatische Antriebseinrichtung basiert auf der gegenseitigen elekt- rostatischen Anziehung von unterschiedlich geladenen Elektroden und/oder der gegenseitigen elektrostatischen Abstoßung von gleichartigen Elektroden. Unter einer Elektrodenanordnung wird dabei eine Anordnung von Elektroden verstanden, welche unmittelbar in elektrostatische Wechselwirkung miteinander stehen können, sofern sie mit einer ladungerzeugenden Steuerspan- nung beaufschlagt werden. Derartige Elektrodenanordnungen können mittels MEMS Technologien einfach und miniaturisiert hergestellt werden.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine der Elektronenanordnungen eine Elektrodenanordnung zur translatori- sehen Auslenkung und zur rotatorischen Auslenkung der Platte, Auf diese Weise ergibt sich ein einfacher Aufbau der Vorrichtung.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die elektrostatische Antriebseinrichtung mindestens eine erste Elektrodenanordnung zur ausschließlich translatorischen Auslenkung der Platte und eine zweite Elektrodenanordnung zur ausschließlich rotatorischen Auslenkung der Platte. Auf diese Weise kann die translatorische Auslenkung der Platte unabhängig von der rotatorischen Auslenkung der Platte bewirkt werden, was der Genauigkeit der Auslenkung zugute kommen kann. Nach einer zweckmäßigen Erfindung der Erfindung ist die elektrostatische Antriebseinrichtung so ausgebildet, dass die translatorische Auslenkung der Platte quasistatisch erfolgt.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die elektrostatische Antriebseinrichtung so ausgebildet, dass die rotatorische Auslenkung der Platte quasistatisch erfolgt.

Unter einer quasistatischen Auslenkung wird dabei eine solche Auslenkung verstanden, bei der jeder Momentanwert der Auslenkung eindeutig einem Wert der Steuerspannung zuordenbar ist. Anders ausgedrückt: Von einer quasistatischen Auslenkung wird gesprochen, wenn sich der Momentanwert der Auslenkung synchron zur Steuerspannung ändert. Bei einer quasi statischen Auslenkung kann die durch Stimmung des Lasers nahezu beliebigen Mustern folgen. Möglich sind zum Beispiel Zickzackmuster oder sinusförmige Muster.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die elektrostatische Antriebseinrichtung so ausgebildet, dass die translatorische Auslenkung der Platte durch resonante Anregung erfolgt.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die elektrostatische Antriebseinrichtung so ausgebildet, dass die rotatorische Auslenkung der Platte durch resonante Anregung erfolgt.

Hierunter wird verstanden, dass die Platte rotatorisch bzw. translatorisch in Resonanz gebracht wird. Hierdurch können mit geringen Kräften bzw. Steuerspannungen große Auslenkungen erzielt werden. Allerdings sind so nur sinusförmige Auslenkungen möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Lagereinrichtung elastisch verformbare Lagerelemente, welche den Träger und die Platte verbinden. Die unmittelbare elastische Verbindung von Träger und Platte vereinfachten Aufbau der Vorrichtung.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die mindes- tens eine Elektrodenanordnung wenigstens eine trägerfeste Elektrode und wenigstens eine plattenfeste Elektrode. Auch dieses Merkmal kommt einem einfachen Aufbau der Vorrichtung zugute.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Lagerein- richtung einen Zwischenrahmen, welcher mit dem Träger und mit der Platte jeweils beweglich verbunden ist. Ein derartiger Zwischenrahmen ermöglicht es, die translatorischen Auslenkung und die rotatorischen Auslenkung der Platte konstruktiv voneinander zu trennen. Dies kommt der Präzision zugute. Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Lagereinrichtung wenigstens ein erstes elastisch verformbares Lagerelement, welches den Zwischenträger und die Platte verbindet, und wenigstens ein zweites elastisch verformbares Lagerelement, welches den Zwischenträger und den Träger verbindet. So ergibt sich ein einfacher Aufbau der Vorrichtung.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist die Antriebseinrichtung wenigstens eine erste Elektrodenanordnung zum Ausienken des Zwischenträgers gegenüber dem Träger und wenigstens eine zweite Elektrodenanordnung zum Auslenken der Platte gegenüber dem Zwischenträger auf. Auch dies kommt den einfachen Aufbau der Vorrichtung zugute

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weisen die wenigstens eine erste Elektrodenanordnung zum Auslenken des Zwischenträgers gegenüber dem Träger wenigstens eine zwischenträgerfeste Elektrode und wenigstens eine trägerfeste Elektrode und die wenigstens eine zweite Elektrodenanordnung zum Auslenken der Platte gegenüber den Zwischenträger wenigstens eine zwischenträgerfeste Elektrode und wenigstens eine plattenfeste Elektrode auf.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Lagereinrichtung zur translatorischen Auslenkung des Zwischenträgers gegenüber dem Träger und zur rotatorischen Auslenkung der Platte gegenüber dem Zwischenträger ausgebildet.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Lagereinrichtung zur rotatorischen Auslenkung des Zwischenträgers gegenüber dem Träger und zur translatorischen Auslenkung der Platte gegenüber dem Zwischenträger ausgebildet.

Auf diese Weise kann die rotatorischen Auslenkung und die translatorischen Auslenken der Platte vollständig entkoppelt werden.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Laser zum Erzeugen eines Laserstrahls mit variabler Wellenlänge mit einem die Wellenlänge bestimmenden Laserresonator, wobei der Laserresonator eine mikromechanisch gefertigte optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist, mit der die Wellenlänge variierbar ist. Es ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist der Laser ein Halbleiterlaser.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Laser ein Quan- tenkaskadenlaser.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Laser zum erzeugen des Laserstrahls im mittleren Infrarotbereich ausgebildet. Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Polarisation des Beugungsgitters zur Maximierung einer Rückkoppeleffizienz in ein aktives Medium des Lasers ausgerichtet.

Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen der Erfindung können dabei, außer z. B. in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen, einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.

Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:

Fig. 1 ein erster durchstimmbarer Laser gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein zweiter durchstimmbaren Laser gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3 ein dritter durchstimmbarer Laser gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 4 ein erstes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Aufsicht:

Fig. 5 das erste vorteilhafte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht:

Fig. 6 eine Skizze zur Erläuterung der Auslenkung der Platte einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 7 ein zweites vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Aufsicht; Fig. 8 das zweite vorteilhafte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht; Fig. 9 ein drittes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Aufsicht;

Fig. 10 das dritte vorteilhafte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht;

Fig. 1 1 ein viertes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Aufsicht;

Fig. 12 das vierte vorteilhafte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht;

Fig. 13 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasers;

Fig. 14 eine Skizze zur Veranschaulichung einer quasistatischen Auslen- kung; und

Fig. 15 eine Skizze zur Veranschaulichung einer Ausienkung durch resonan- te Anregung. Fig. 4 zeigt ein erstes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Aufsicht und Fig. 5 zeigt das erste vorteilhafte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht. Die Fig. 4 und 5 zeigten eine mikromechanisch gefertigte optische Vorrichtung 1 umfassend: einen Träger 2 zum Tragen der mikromechanisch gefertigten Vorrichtung 1 ; ein Beugungsgitter 3 zum Beugen von Licht; eine Platte 4 zum Tragen des Beugungsgitters 3; und eine Auslenkeinrichtung zum Ausienken der Platte 4 gegenüber dem Träger 2, wobei die Auslenkeinrichtung eine Lagereinrichtung 5 zum beweglichen Lagern der Platte 4 und eine Antriebseinrichtung 6 zum Bewegen der Platte 4 aufweist; wobei die Auslenkeinrichtung zur rotatorischen Auslenkung PR der Platte 4 und zur translatorischen Auslenkung PT der Platte 4 ausgebildet ist.

Durch die Verwendung der MEMS Technologie kann das Beugungsgitter 3 mit hoher optischer Qualität und mit großen Abmessungen hergestellt werden. Abmessungen von mehreren Millimetern sind ohne weiteres möglich. Das Beugungsgitter 3 kann insbesondere durch Schichtabscheidung oder Strukturierung hergestellt werden. Das so hergestellte Beugungsgitter 3 unterscheidet sich daher signifikant von den oben beschriebenen durch DRIE hergestellten optischen Oberflächen.

Durch eine geeignete Kombination von Rotation und Ansatz von der Platte 4, auf welcher das Beugungsgitter 3 angeordnet ist, kann eine Rotation um einen weit entfernten Drehpunkt realisiert werden. Hierdurch kann ein Laser ohne Modensprünge durchgestimmt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vereint damit die Vorteile der Einfachheit des Aufbaus, der hohen optischen Qualität sowie eines modenhoppingfreien Betriebs. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Beugungsgitter 3 zum Beugen von Licht im mittleren Infrarotbereich ausgebildet. Auf diese Weise ist es möglich, einen im mittleren Infrarotbereich arbeitenden Laser durch zustimmen. Der mittlere Infrarotbereich betrifft die Wellenlangen im Bereich von 2,5-25 μητ

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Lagereinrichtung 5 elastisch verformbare Lagerelemente 5. Derartige Lagerelemente 5 ermöglichen eine ausreichende Beweglichkeit der Platte 4 und können durch EMS-Technologien einfach und präzise hergestellt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Platte 4 ein Positionssensor 12 zugeordnet, welcher zur Messung der rotatorischen Auslenkung PR und/oder zur Messung der translatorischen Auslenkung PT der Platte 4 ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, die Bewegung der Platte 4 nicht nur zusteuern (open-loop-control) sondern auch zu regeln (closed-loop- control), was der Präzision der rotatorischen Auslenkung PR und/oder der translatorischen Auslenkung PT der Platte 4 zugute kommen kann.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Antriebseinrichtung 6 eine elektrostatische Antriebseinrichtung 6, welche mindestens eine Elektrodenanordnung 7, 8 und eine Steuerungseinrichtung 9 zum Beaufschlagen der mindestens einen Elektrodenanordnung 7, 8 mit einer Steuerspannung U1 , U2 umfasst. Eine elektrostatische Antriebseinrichtung 6 basiert auf der gegenseitigen elektrostatischen Anziehung von unterschiedlich geladenen Elektroden 10, 1 1 und/oder der gegenseitigen elektrostatischen Abstoßung von gleichartigen Elektroden. Unter einer Elektrodenanordnung 7, 8 wird dabei eine Anordnung von Elektroden 10, 1 1 verstanden, welche unmittelbar in elektrostatische Wechselwirkung miteinander stehen können, sofern sie mit einer ladungerzeugenden Steuerspannung U1 , U2 beaufschlagt werden. Derartige Elektrodenanordnungen 7, 8 können mittels MEMS Technologien einfach und miniaturisiert hergestellt werden. Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine der Elektronenanordnungen 7, 8 eine Elektrodenanordnung 7, 8 zur translatorischen Ausienkung PT und zur rotatorischen Auslenkung PR der Platte. Auf diese Weise ergibt sich ein einfacher Aufbau der Vorrichtung. Im ersten Ausführungsbeispiel wird der Elektrodenanordnung 7 eine erste Steuerspannung U1 zugeführt, während der Elektrodenanordnung 8 eine Steuerspannung U2 zugeführt wird, welche unabhängig von der ersten Steuerspannung U1 ist. Eine translatorischen Ausienkung PT kann nun beispielsweise im quasistationären Fall dadurch erzielt werden, dass U1 und U2 sich im Zeitverlauf entsprechen. Eine rotatorischen Auslenkung PR kann hingegen beispielsweise im quaststationären Fall dadurch bewirkt werden, dass U1 und U2 im Zeitverlauf unterschiedliche Werte annehmen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Lagereinrichtung 5 elastisch verformbare Lagerelemente 5, welche den Träger 2 und die Platte 4 verbinden. Die unmittelbare elastische Verbindung von Träger 2 und Platte 4 vereinfachten Aufbau der Vorrichtung.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die mindestens eine Elektrodenanordnung 7, 8 wenigstens eine trägerfeste Elektrode 10 und wenigstens eine plattenfeste Elektrode 1 1 . Auch dieses Merkmal kommt einem einfachen Aufbau der Vorrichtung zugute.

Fig. 8 zeigt eine Skizze zur Erläuterung der Ausienkung der Platte einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 6 illustriert, wie durch geeignete Kombination von rotatorischer Auslenkung und translatorischer Ausienkung der Platte 4, welche das Beugungsgitter 3 trägt, eine Rotation um einen weit entfernten Drehpunkt realisiert werden kann. Die Fig. 8 zeigt zwei Positionen P01 und P02 der Platte 4 wahrend der Ausienkung. In der ersten Position P01 ist die Platte 4 nicht verkippt und auch nicht translatorisch ausgelenkt. In der Position P02 ist die Platte 4 um den Winkel Θ verkippt und gleichzeitig translatorisch um die Strecken t _r , so verschoben, dass sich eine Drehung der Platte 4 um einen entfernt liegenden Drehpunkt ergibt, der den Mittelpunkt des eingezeichneten Kreises mit Radius R darstellt.

Ist z. B. aufgrund der resonanten Torsionsschwingung der Platte 4 der zeitliche Verlauf des Drehwinkels 0(t) vorgegeben, so ergibt sich aus der einfachen geometrischen Beziehung

Gleichung : t _r (t) = R x tan 9(t) die erforderliche translatorische Auslenkung, die durch den beispielsweise quasistatischen translatorischen Antrieb zur Verfügung gestellt wird.

Der Betrieb der Vorrichtung 1 nach Gleichung 1 ermöglicht somit die Kombination der Vorteile der Littrow-Konfiguration (einfacher Aufbau, vgl. Fig. 2) mit den Vorteilen der Littmann-Konfiguration (modenhoppingfreier Laserbetrieb durch Realisierung eines außerhalb der Anordnung liegenden Drehpunktes, vgl. Fig. 3).

Einen Spezialfall stellt der Betrieb bei kleinen Drehwinkeln dar. Für kleine Werte kann der Tangens durch sein Argument ersetzt werden. Aus Gleichung 1 ergibt sich dann näherungsweise:

Gleichung 2: t _r (t) = R x tan 6(t)

Das bedeutet, dass die Translation demselben zeitlichen Verlauf folgen kann, wie die Drehung. Bei resonantem Betrieb der Rotation kann also auch die Translation resonant angeregt werden. Dies hat vor allem für die erzielbare Frequenz, mit der die Durchstimmung vorgenommen werden kann erhebliche Vorteile. Ein quasistatischer Antrieb ist auf niedrigere Frequenzen eingeschränkt, da höhere Frequenzen Kräfte erfordern, welche durch MEMS Bauelemente nicht mehr zur Verfügung gestellt werden können. Beim resonan- ten Betrieb wird dagegen der Gütefaktor ausgenutzt, so dass auch bei Frequenzen im Bereich mehrerer kHz der Betrieb mit ausreichender Amplitude ermöglicht wird. Entsprechend geringer ist die Leistungsaufnahme resonant betriebener Systeme. Auch die Anforderungen an die Ansteuerelektronik und Positionsauslese sind bei resonantem Betrieb deutlich geringer, als bei quasistatischer Ansteuerung.

Ein weiterer Fall ergibt sich für nicht konstanten Radius R. Wird z. B. in Littrow-Konfiguration für einen weiten durchstimmbaren Bereich eine Veränderung des Drehpunkts wahrend der Rotation des Beugungsgitters erforderlich, so kann dies gemäß Gleichung 1 bei vorgegebenem Verlauf der Rotation durch entsprechende Anpassung des zeitlichen Verlaufs der Translation erzielt werden. Dazu ist eine Winkelabhängigkeit des Radius zu berücksichtigen, welche sich in eine Zeitabhängigkeit übersetzt:

Gleichung 3. t _r (t) = R(9(t)) x tan 0(t)

Ist die rotatorische Achse quasistatisch auslenkbar, so kann innerhalb des maximalen durchstimmbaren Wellenlangenbereichs Amax = λ1 bis K2 jeder enthaltene Wellenlangenbereich durchfahren werden, ohne den kompletten maximalen Durchstimmbereich durchfahren zu müssen. Ist beispielsweise der charakteristische Wellenlangenbereich für die Identifikation einer Substanz bekannt und kleiner als Amax so entsteht dadurch vor allem bei Mehrfachmessungen zur Mittelung ein zeitlicher Vorteil. Auch wird ermöglicht, dass bei unbekannten Substanzen zunächst eine Messung mit geringer Anzahl N zur Mittelung durchgeführt wird, um die charakteristischen Wellenlängenbereiche zu identifizieren und dann eine Vielzahl weiterer Messungen - zur Erhöhung des Signal-Rausch-Abstands - in den charakteristischen Wel- lenlangenbereichen durchgeführt wird.

Fig. 7 zeigt ein zweites vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer Aufsicht und Fig. 8 zeigt das zweite vorteil- hafte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer geschnittenen Seitenansicht. Das zweite Ausführungsbeispiel basiert auf dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Folgenden nur die Unterschiede erläutert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die elektrostatische Antriebseinrichtung 6 mindestens eine erste Elektrodenanordnung 13, 14 zur ausschließlich translatorischen Auslenkung PT der Platte 4 und eine zweite Elektrodenanordnung 15, 18 zur ausschließlich rotatorischen Auslenkung PR der Platte 4. Auf diese Weise kann die translatorische Auslenkung der Platte unabhängig von der rotatorischen Auslenkung der Platte bewirkt werden, was der Genauigkeit der Auslenkung zugute kommen kann. Beim 2. Ausführungsbeispiel werden die ersten Elektrodenanordnungen 13 und 14 mit der Steuerspannung U3 und die zweiten Elektrodenanordnungen 15 und 16 mit der davon unabhängigen Steuerspannung U4 beaufschlagt.

Fig. 9 zeigt ein drittes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Aufsicht und Fig. 10 zeigt das dritte vorteilhafte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht. Auch das dritte vorteilhafte Ausführungsbeispiel basiert auf dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auch hier nur die entsprechenden Unterschiede erläutert werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Steuereinrichtung 9 hierbei weggelassen.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Lagereinrichtung 17, 18, 19 einen Zwischenrahmen 17, welcher mit dem Träger 2 und mit der Platte 4 jeweils beweglich verbunden ist. Ein derartiger Zwischenrahmen 17 ermöglicht es, die translatorischen Auslenkung PT und die rotatorischen Auslenkung PR der Platte 4 konstruktiv voneinander zu trennen. Dies kommt der Präzision zugute. Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Lagereinrichtung wenigstens ein erstes elastisch verformbares Lagerelement 18, welches den Zwischenträger 17 und die Platte 4 verbindet, und wenigstens ein zweites elastisch verformbares Lagerelement 19, welches den Zwischenträger 17 und den Träger 2 verbindet. So ergibt sich ein einfacher Aufbau der Vorrichtung 1 .

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist die Antriebseinrichtung wenigstens eine erste Elektrodenanordnung 20, 21 zum Ausienken des Zwischenträgers 17 gegenüber dem Träger 2 und wenigstens eine zweite Elektrodenanordnung 22, 23 zum Auslenken der Platte 4 gegenüber dem Zwischenträger 17 auf. Auch dies kommt den einfachen Aufbau der Vorrichtung zugute

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weisen die wenigstens eine erste Elektrodenanordnung 20, 21 zum Ausienken des Zwischenträgers 17 gegenüber dem Träger 2 wenigstens eine zwischenträgerfeste 24 Elektrode und wenigstens eine trägerfeste Elektrode 25 und die wenigstens eine zweite Elektrodenanordnung 22, 23 zum Ausienken der Platte 4 gegenüber den Zwischenträger 17 wenigstens eine zwischenträgerfeste Elektrode 26 und wenigstens eine plattenfeste Elektrode 27 auf.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Lagereinrichtung 17, 18, 19 zur translatorischen Auslenkung PT des Zwischenträgers 17 gegenüber dem Träger 2 und zur rotatorischen Auslenkung PR der Platte 4 gegenüber dem Zwischenträger 17 ausgebildet,

Fig. 1 1 zeigt ein viertes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Aufsicht und Fig. 12 zeigt das vierte vorteilhafte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht. Das vierte Ausführungsbeispiel basiert auf dem dritten Ausführungsbeispiel. Im Folgenden werden daher lediglich die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsbeispielen erläutert.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Lagereinrich- tung zur rotatorischen Auslenkung PR des Zwischenträgers 17 gegenüber dem Träger 2 und zur translatorischen Auslenkung der Platte 3 gegenüber dem Zwischenträger 17 nun ausgebildet. Dabei sind die Elektrodenanordnungen 33 und 34 zur rotatorischen Auslenkung PR des Zwischenträgers 17 und die Elektrodenanordnung und 35 und 36 zur translatorischen Auslen- kung der Platte 3 gegenüber dem Zwischenträger 17 vorgesehen,

Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasers 28. Der Laser 28 zum Erzeugen eines Laserstrahls LI mit variabler Wellenlänge weist einen die Wellenlänge bestimmenden Laserresonator 1 , 31 auf, wobei der Laserresonator 1 , 31 eine mikromechanisch gefertigte optische Vorrichtung 1 mit einem Beugungsgitter 3 der oben beschriebenen Art aufweist, mit der die Wellenlänge variierbar ist. In bekannter Weise umfasst der Laser 28 ein aktives Medium 29 und eine Pumpe 30. Zwischen dem aktiven Medium 29 und dem Beugungsgitter 3 ist in ebenfalls bekannter Weise eine Linse 32 vorgesehen. Es ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist der Laser 28 ein Halbleiterlaser 28. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Laser 28 ein Quantenkaskadenlaser 28.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Laser 28 zum erzeugen des Laserstrahls LI im mittleren Infrarotbereich ausgebildet. Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Polarisation des Beugungsgitters 3 zur aximierung einer Rückkoppeleffizienz in ein aktives Medium 29 des Lasers 28 ausgerichtet.

Fig. 14 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung einer quasistatischen Auslenkung.

Nach einer zweckmäßigen Erfindung der Erfindung ist die elektrostatische Antriebseinrichtung 6 so ausgebildet, dass die translatorische Auslenkung PT der Platte 4 quasistatisch erfolgt.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die elektrostatische Antriebseinrichtung 6 so ausgebildet, dass die rotatorische Auslenkung PR der Platte 4 quasistatisch erfolgt.

Unter einer quasistatischen Auslenkung wird dabei eine solche Auslenkung verstanden, bei der jeder Momentanwert a(t) der Auslenkung eindeutig einem Wert U(t) der Steuerspannung U zuordenbar ist. Anders ausgedrückt: Von einer quasistatischen Auslenkung wird gesprochen, wenn sich der Momentanwert a(t) der Auslenkung synchron zur Steuerspannung U(t) ändert. Bei einer quasi statischen Auslenkung kann die durch Stimmung des Lasers nahezu beliebigen Mustern folgen. Möglich sind zum Beispiel Zickzackmuster oder sinusförmige Muster.

In Fig. 14 wird die Platte 4 durch die Steuerspannung U1 (vgl. Fig.4) linear vom Wert 0 zum oberen Maximalwert A ausgelenkt und von dort linear zum Wert 0 zurückgeführt. Dieser Vorgang zum Zeitpunkt t ₀ und ist zum Zeitpunkt beendet. Dann wird die Platte 4 durch die Steuerspannung U2 vgl. (Fig. 4) linear vom Wert 0 zum unteren Maximalwert -A aus gelenkt und von dort linear zurück zum Wert 0 geführt. Dieser Vorgang ist zum Zeitpunkt t ₂ abgeschlossen. Fig. 15 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung einer Auslenkung durch re- sonante Anregung.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die elektrostatische Antriebseinrichtung 8 so ausgebildet, dass die translatorische Auslenkung PT der Platte 4 durch resonante Anregung erfolgt.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die elektrostatische Antriebseinrichtung 6 so ausgebildet, dass die rotatorische Auslenkung PR der Platte 4 durch resonante Anregung erfolgt.

Hierunter wird verstanden, dass die Platte 4 rotatorisch bzw. translatorisch in Resonanz gebracht wird. Hierdurch können mit geringen Kräften bzw. Steuerspannungen U große Auslenkungen A erzielt werden. Allerdings sind so nur sinusförmige Auslenkungen möglich.

In Figur 15 ist eine mögliche Resonanzamplitude A sowie die zu Grunde liegende Steuerspannung U beispielhaft dargestellt. Anders als in Figur 14 ergibt sich hier keine eindeutige Zuordnung der Spannung u(t) und der Amplitude a(t).

Bezu g s ze i ch e n I i ste i

1 Mikromechanisch gefertigte Vorrichtung

2 Träger

3 Beugungsgitter

4 Platte

5 Lagereinrichtung, elastisch verformbares Lagerelement

6 Antriebseinrichtung

7 Elektrodenanordnung

8 Elektrodenanordnung

9 Steuerungseinrichtung

10 trägerfeste Elektrode 1 1 plattenfeste Elektrode

12 Positionssensor

13 Elektrodenanordnung

14 Elektrodenanordnung

15 Elektrodenanordnung

16 Elektrodenanordnung

17 Zwischenträger

18 erste elastisch verformbare Lagerelemente

19 zweite elastisch verformbare Lagerelemente

20 erste Elektrodenanordnung

21 erste Elektrodenanordnung

22 zweite Elektrodenanordnung

23 zweite Elektrodenanordnung

24 zwischenträgerfeste Elektrode

25 trägerfeste Elektrode

26 zwischenträgerfeste Elektrode

27 plattenfeste Elektrode

28 Laser

29 aktives Medium

30 Pumpe

31 Spiegel

32 Linse

PT translatorischen Auslenkung

PR rotatorische Auslenkung

P01 erste Position

P02 zweite Position

R Radius

tr Strecke

Θ Winkel LI Licht