Inkjet Printing of Bragg Mirrors and Microlens Arrays for Optical Systems

Das Forschungsfeld der Optik und Photonik erlebt eine rasante Entwicklung und bildet sich zur Schlüsseltechnologie für weit verbreitete Anwendungen für industriellen Auto-matisierung und Überwachung, Verbraucherelektronik, Biomedizintechnik, Automobil-industrie, Landwirtschaft und der Solartechnik aus. Fortschrittliche Fertigungstechnolo-gien spielen eine entscheidende Rolle bei der Förderung weiterer Innovationen und Fortschritte in der Optik und Photonik, da sie komplexe und spezialangefertigte De-signs, flexible Prozesse, schnelles Prototyping und eine kostengünstige Fertigung ermög-lichen. ... mehrIn dieser Dissertation liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung des Tinten-strahldrucks als fortschrittliches Fertigungsverfahren für Schlüsselkomponenten der Optik und Photonik - Mikrolinsenarrays (MLAs) und Bragg-Spiegel. Dieser additive Fertigungsansatz bietet erhebliche Vorteile, darunter eine hohe Fertigungspräzision, eine verbesserte Skalierbarkeit, ein erhöhter Durchsatz, eine hervorragende Flexibilität für schnelles Prototyping und eine bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit an eine Vielzahl von Anwendungen. Das Tintenstrahldrucken hat daher das Potenzial, ein starker Kon-kurrent für die Herstellung von optischen und photonischen Komponenten im Labor- und Industriemaßstab zu sein.
Der Einsatz des Tintenstrahldrucks zur Herstellung von MLAs und Bragg-Spiegeln ist jedoch mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Erstens erfordert die Tintenfor-mulierung ein sorgfältiges Design von Lösemittelsystemen, um eine stabile Tropfenbil-dung zu gewährleisten. Zweitens müssen sowohl die Druckparameter als auch die Para-meter der Nachbehandlung sorgfältig optimiert werden. Die Strömungsdynamik wäh-rend des Druck- und Nachbehandlungsprozesses erfordert ein komplexes Zusammen-spiel zwischen den Tinten, den Druck- und den Nachbehandlungsparametern. Drittens müssen die mit dem Tintenstrahldrucker hergestellten Schichten sowohl die morphologi-schen als auch die optischen Anforderungen der optischen und photonischen Kompo-nenten erfüllen, was insbesondere im Zusammenhang mit dem mehrschichtigen Tinten-strahldruck eine anspruchsvolle Aufgabe darstellt.
Ziel dieser Arbeit ist es, diese Herausforderungen anzugehen und geeignete Tinten, Druck- und Nachbehandlungsparameter zu entwickeln, um die Herstellung von MLAs und Bragg-Spiegeln durch Tintenstrahldruck zu ermöglichen. Zunächst wird die Herstel-lung von MLAs mit einem rekordhohen Füllfaktor von 88% und außergewöhnlicher Gleichmäßigkeit auf unstrukturierten Substraten mittels Tintenstrahldruck vorgestellt. Es wurden lösungsmittelfreie UV-härtbare Tinten entwickelt und ein zuverlässiger Druck-prozess mit optimierten Druckparametern etabliert. Die Abstimmbarkeit der geometri-schen Parameter der MLAs wird durch das Aufbringen ausgewählter selbstorganisie-render Monoschichten auf dem Substrat demonstriert, was zu unterschiedlichen opti-schen Eigenschaften führt. Statistische Ergebnisse zeigen die herausragende Gleichmä-ßigkeit der gedruckten MLAs, die sich in sehr geringen Standardabweichungen der geometrischen Parameter äußert. Es wird gezeigt, dass der Tintenstrahldruck vielseitig ist und die Herstellung von MLAs in kundenspezifischen Mustern, unterschiedlichen Abmessungen und auf verschiedenen starren und flexiblen Substraten ermöglicht. Die gedruckten MLAs weisen hervorragende Abbildungseigenschaften auf. Daher wird im Anschluss die Anwendung von tintenstrahlbedruckten MLAs in einer multispektralen Lichtfeldkamera untersucht. Farbfilter-Arrays werden per Tintenstrahldruck auf die gegenüberliegende Seite der MLA gedruckt, um die MLA spektral zu kodieren. Die realisierten multispektralen Lichtfeldkameras zeigen, dass sie in der Lage sind, mit einem einzigen Schnappschuss gleichzeitig Informationen in räumlicher und spektraler 3D-Dimension zu liefern. Zuletzt wird beim Übergang von der Mikrooptik zur Nano-photonik noch die Errungenschaft des Tintenstrahldruckens von Bragg-Spiegeln hervor-gehoben. Die entwickelten Tintenformulierungen und optimierten Herstellungsparameter ermöglichen eine präzise Kontrolle der Schichtdicke mit einer Auflösung im Sub-Nanometerbereich und eine reproduzierbare Schichtabscheidung. Die phonischen Band-lücken der Inkjet-gedruckten Bragg-Spiegel können vom sichtbaren Licht bis in den nahen Infrarotbereich eingestellt werden, indem die Anzahl der pro Flächeneinheit abgeschiedenen Tröpfchen angepasst wird. Die im Tintenstrahldruckverfahren herge-stellten Bragg-Spiegel erreichen mit nur zehn gedruckten Doppelschichten einen bemer-kenswerten Reflexionsgrad von ca. 99 %. Quantitative spektrale und morphologische Charakterisierungsergebnisse belegen eine exzellente Schichtgleichmäßigkeit und her-vorragende optische Qualität. Darüber hinaus lassen sich mit dem Inkjet-Druck Bragg-Spiegel in verschiedenen Größen, auf unterschiedlichen Substraten und in entworfenen lateralen Mustern herstellen.

Optics and photonics have experienced rapid development, emerging as key enabling technologies for widespread applications in industrial automation and monitoring, con-sumer electronics, biomedical technologies, automotive, agriculture, and solar technolo-gies. Advanced manufacturing technologies play a crucial role in fostering further inno-vation and progress in optics and photonics, facilitating complex and customized de-signs, versatile processes, rapid prototyping, and cost-effective fabrication. In this thesis, the focus is on the development of inkjet printing as the advanced manufacturing meth-od for key optics and photonics components – microlens arrays (MLAs) and Bragg mirrors. ... mehrThis additive manufacturing approach offers significant advantages, including high manufacturing precision, enhanced scalability, improved throughput, excellent flexibility in rapid prototyping, and remarkable adaptability to a diverse range of appli-cations. Hence, inkjet printing demonstrates its potential to be a strong competitor for both laboratory- and industrial-scale optics and photonics component production.
However, employing inkjet printing for fabricating MLAs and Bragg mirrors poses multiple challenges. Firstly, the ink formulations require meticulous engineering of sol-vent systems to ensure a stable ink ejection process. Secondly, both printing parameters and post-treatment parameters need to be carefully optimized. The fluid dynamics in-volved throughout the printing and post-treatment processes entail a complex interplay among the inks, printing parameters, and post-treatment parameters. Thirdly, the inkjet-printed layers have to meet the morphological as well as optical requirements of the optics and photonics components, which is a challenging task, especially in the context of multi-layer inkjet printing.
The aim of this thesis is to address these challenges and develop suitable inks, printing, and post-treatment parameters to achieve the fabrication of MLAs and Bragg mirrors through inkjet printing. Firstly, the fabrication of MLAs with an unprecedented fill factor of 88% and exceptional uniformity on unstructured substrates using inkjet print-ing is presented. Solvent-free UV-curable inks are developed, and a reliable printing process is established with optimized printing parameters. The tunability of the geomet-rical parameters of the MLAs is demonstrated by applying selected self-assembled monolayers on the substrate, leading to different optical properties. Statistical results show the outstanding uniformity of the printed microlenses as well as the arrays, as evidenced by very low standard deviations of the geometrical parameters. Inkjet print-ing is proven to be versatile, allowing the fabrication of MLAs in customized patterns, varying dimensions, and on diverse rigid and flexible substrates. The printed MLAs exhibit excellent imaging capabilities. Hence, the application of inkjet-printed MLAs in a multispectral light field camera is subsequently investigated. Color filter arrays are inkjet printed on the opposite side of the MLA to code the MLA spectrally. The accom-plished multispectral light field cameras demonstrate the capability to provide simulta-neous information in both 3D spatial and spectral dimensions from a single snapshot. Last but not least, transitioning from micro-optics to nanophotonics, the achievement of the inkjet printing of Bragg mirrors is highlighted. The developed ink formulations and optimized fabrication parameters enable precise control of layer thickness with sub-nanometer resolution and repeatable layer deposition. The photonic bandgaps of the inkjet-printed Bragg mirrors can be tuned from visible light to the near-infrared range by adjusting the number of droplets deposited per unit area. The inkjet-printed Bragg mir-rors reach a remarkable reflectance of approximately 99% with only ten printed bilayers. Quantitative spectral and morphological characterization results prove excellent layer uniformity and outstanding optical quality. Furthermore, inkjet printing is employed to produce Bragg mirrors in different sizes, on various substrates, and in designed lateral patterns.