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Plattform Photonics

Photonics ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die sich mit Lichtgenerierung, -wechselwirkung und -detektion befasst. Sie ist eine Schlüsseldisziplin in der Messtechnik, Sensorik, Datenübertragung, Bilderzeugung und Materialbearbeitung.

Licht dient als Informations- und Energieträger; Lichtlaufzeiten und Wechselwirkungen in Materialien werden vielseitig zu Messzwecken genutzt; Positionen und Bewegungen werden erfasst; durch spektroskopische Verfahren können kleinste Spuren nachgewiesen werden. Zur Realisierung der dazu notwendigen Verfahren und Instrumente ist das Fachwissen der Plattform Photonics gefragt. Institutsübergreifend und interdisziplinär erarbeiten die entsprechenden Expertinnen und Experten sämtliche Entwicklungsschritte: von Machbarkeitsstudien bis hin zu fertigen Produkten. Ein Ausgangspunkt für Innovationen ist die enge Zusammenarbeit mit externen Partnern aus der Industrie und anderen Hochschulen. Das Thema Photonics wird auch in der Lehre behandelt: In Vertiefungs-, Bachelor- und Masterarbeiten setzen sich die Studierenden mit entsprechenden Fragestellungen auseinander.

Themen und Personen

Photonics beinhaltet physikalische Optik, Optoelektronik, Lasertechnologie sowie alle Fachbereiche, die lichtbasierte Mess-, Anzeige- und Manipulationsverfahren ermöglichen. Dies reicht von analoger und digitaler Elektrotechnik über mechanisches System- und Produktdesign bis zu Datenauswertung und Softwareentwicklung. Die Plattform Photonics vernetzt Know-how und Infrastrukturen für die Entwicklung von Messmethoden, Systemen und Geräten auf folgenden Gebieten:

  • Optische Distanz- und Formmessung 
  • Optische Erfassung von Bewegungen wie Drehraten und  Schwingungen
  • Projektionstechniken (Scan Vorrichtungen und Speckle Unterdrückung)
  • Spektroskopische Verfahren und Fluoreszenzmesstechnik mit Anwendungen in der Analytik, der Diagnostik und der Biosensorik
  • Herstellung und Charakterisierung von organischen Optoelektronik-Bauelementen 
  • Leuchtdioden (OLED, LED)
  • Verbesserung numerischer Algorithmen für Optik-Simulation (Strahlenoptik, Dünnfilmoptik, Wellenoptik)
  • Beleuchtungstechnologie

Expertinnen und Experten der Plattform Photonics

Studium

Photonics ist ein wichtiges Thema in der Ingenieursausbildung an ZHAW School of Engineering und ein in fester Bestandteil des Physik- und Elektronikunterrichts. Zur Vertiefung werden die Wahlfächer im Bachelorstudium und im Rahmen des fachhochschulübergreifenden Masters of Sciences in Engineering (MSE) angeboten. Die praktische Vertiefung erfolgt im Rahmen von  Vertiefungs-, Bachelor-  und Masterarbeiten, in welchen von der Industrie eingebrachte Themen bearbeitet werden. 

Laboreinrichtungen und Infrastruktur

In verschiedenen Instituten und Zentren sind umfangreiche Laboreinrichtungen für Messtechnik, Simulationen und Prototypenbau vorhanden:

  • Optische Messplätze und Instrumente am Labor für Angewandte Optik und am Optoelectronics Research Laboratory: Diverse CW- und gepulste Laser LED inkl. Weisslichtlaser, zeitaufgelöste Emissions- und Absorptionspektrometer, gegatete Sensoren und Kameras, winkelaufgelöster Streumessplatz, Schichtdickenmessgeräte und Profilometer, variable angle spectroscopic ellipsometery (Woolam Inc.),  optisches 3D-Mikroskop (Alicona), optische Vibrometer und Positionssensoren, Beschichtungsanlage mit Inertgas-Atmosphäre, Tieftemperaturmesskammer (bis –180 °C), umfangreiche Simulationssoftware und Computercluster (Zemax, Fusion, Comsol)
  • Moderne mechanische Werkstätte des ZPP
  • Elektronikentwicklungsplätze des ISC und InES
  • Produkte und Dienstleistungen am InES

Forschungsprojekte und Produkte

Forschungsprojekte werden zusammen mit anderen Hochschulen und industriellen Partnern durchgeführt – oft im Rahmen von KTI-Projekten. Gemeinsam oder im Auftrag unserer Partner arbeiten wir von der Machbarkeitsstudie über die Entwicklung von Verfahren bis hin zur Serienreife von Messgeräten.

FlexOLED

Am Institute of Computational Physics der ZHAW School of Engineering forscht man unter anderem auf dem Gebiet der organischen Leuchtdioden (OLED). In Zusammenarbeit mit Partnern entwickelt ein Forschungsteam biegsame OLED mit hoher Effizienz und fertigt sie im eigenen Labor. Mehr zu diesem Projekt

Paios

Paios ist eine all-in-one Messplattform, welche Messungen im DC, AC und transienten Betrieb in einem Gerät vereint und über integrierte Auswertealgorithmen verfügt. Paios wurde in einem Innosuisse (ehemals KTI) Projekt entwickelt und ist seit 2013 auf dem Markt. Mehr zu diesem Projekt

Setfos

Setfos ist eine Software für die Simulation von optischen und elektrischen Eigenschaften von Halbleiterbauelementen wie OLED und Solarzellen. Die Software entstand ursprünglich in einem KTI-Projekt und wurde erstmals 2004 an internationale Kunden lizenziert. Seit 2006 wird Setfos von der Spin-off Firma Fluxim weiterentwickelt und vermarktet. Mehr zu diesem Projekt

Flupo

Ausgehend von verschiedenen Diplomarbeiten wurde institutsübergreifend ein feldtaugliches Fluoreszenzpolarisationsmessgerät für diagnostische Zwecke entwickelt, welches in der Veterinärmedizin verwendet wird. Eine verdünnte Serumprobe wird auf das Vorhandensein von spezifischen Antikörpern getestet, in dem mit optischen Methoden das Diffusionsverhalten eines Marker-Moleküls untersucht  wird. Das Gerät wurde bis zur Kleinserienreife realisiert – die Weiterentwicklung ist Thema laufender Arbeiten. Der optische Aufbau und die Software wurde am IAMP, die Elektronik in verschiedenen Varianten am ZSN und InEs entwickelt – die Mechanik und das ansprechenden Design ist am ZPP entstanden. Mehr zu diesem Projekt

CoatMaster

CoatMaster ist ein auf aktiver Thermografie basierendes Messgerät zur nicht invasiven Schichtdickencharakterisierung. Seit 2011 wird der CoatMaster von Winterthur Instruments weiterentwickelt und vermarktet. Mehr zu diesem Projekt

Faseroptisches Rotationsseismometer

Das Labor für angewandte Optik am Institut für Angewandte Mathematik und Physik und das Institute for Signal Processing and Wireless Communications (ISC) haben zusammen mit dem Industriepartner Streckeisen Seismic Instrumentation GmbH ein Funktionsmuster eines faseroptischen Rotationsseismometers zur Messung von Rotationen im Nahfeld von Erdbebenherden entwickelt und aufgebaut. Das Gerät besteht aus einer breitbandigen 1550nm, 10mW Superlumineszenz-Diode, einer Reziprozitätsoptik, einem speziell konstruierten SMF-Fasersensor, einer direkten Piezo-Phasenmodulation des Lichts, einem rauscharmen Photoempfänger, einem Signalgenerator für die Modulation, einer Stromversorgung, die der seismischen Geräteperipherie angepasst ist, und einer digitalen Signalauswertung. Das im Labor des Industriepartners erfolgreich getestete Funktionsmuster erreicht eine höchste Empfindlichkeit von und übertrifft damit kommerzielle Rotationsseismometer um drei Grössenordnungen.

Entwicklung einer durch Verformung schnell fokussierbaren Linse

In einem zweijährigen KTI-Projekt hat das Institut für Angewandte Mathematik und Physik zusammen mit der Firma Optotune und weiteren Partnern eine durch Verformung schnell variabel fokussierbare Linse entwickelt. Die Präzision (+/- 0.01 dpt) und die Schnelligkeit (< 10 ms) waren die anspruchsvollen Zielgrössen, welche erreicht wurden. Damit werden Einsätze der Linsen in der Laser-Oberflächenbearbeitung und in «Machine Vision» ermöglicht. Im ersten Fall wird die Linsenform in einem closed loop optisch überwacht, im zweiten Fall liefert eine temperaturkompensierende, patentierte Konstruktion die benötigte Reproduzierbarkeit der gezielt einzustellenden Fokuslängen. Innerhalb des Projektes konnte die Linsen bis zur Marktreife entwickelt werden und sind nun kommerziell erhältlich.

Optische Schwingungsmessung mit Reibungsdämpfung

Das Institut für Mechanische Systeme arbeitet mit dem Institut für angewandte Mathematik und Physik zusammen, um das Schwingungsverhalten von mechanischen Teilen wie  Turbinenschaufeln oder Lautsprechermembranen mit Hilfe eines Laser Doppler Scanning-Vibrometers dynamisch zu untersuchen. Am abgebildeten Schaufelkranz werden die Modell-Parameter der Reibungsdämpfung bei verschiedenen Schwingungsmoden bestimmt. An der einzelnen Turbinenschaufel wird zudem das Verhalten des Reibkontaktes dynamisch untersucht. Die kontaktlose optische Messmethode erlaubt präzise flächenartige Bewegungsanalysen ohne das System in irgendeiner Form mechanisch zu beeinflussen. Ergänzend wird ein Michelson–Interferometer verwendet, welches die Analyse von langsamen Bewegungen im Subnanometerbereich ermöglicht.

2D-Laserdistanzscanner

Die Firma ELAG Elektronik AG hat mit dem Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichtentechnik und dem Labor für Angewandte Optik am Institut für Angewandte Mathematik und Physik einen 2D-Laserdistanzscanner zur mobilen Messung von Oberflächenprofilen im Bahnbereich entwickelt. Der Scanner benutzt das Phasenmessverfahren und erreicht bei Messraten von über 100 kHz und einem Messbereich bis 10 m eine Messgenauigkeit von 1-2 mm. Der Scanner basiert auf Modulationssignalen im 400 MHz Bereich, einer 660 nm, 100 mW CW-Laserdiode, einer Strahloptik mit Kollimator, einem Drehspiegel, einer Empfängeroptik mit Auskoppelspiegel, Fokussiertubus und einer Avalanche Photodiode mit integriertem Transimpedanz-Verstärker sowie einem IQ-Demodulator und einem FPGA für die Phasenauswertung.

Beteiligte Institute und Zentren

Partner

  • Fluxim-Logo
  • Mettler-Toledo-Logo
  • optotune-logo
  • Rainbow-Photonics-Logo
  • Logo Streckeisen
  • swissmem-logo
  • Winterthur-Instruments-Logo