Optical lever Messsystem mit Femtometer Auflösung

Abstract

Es wurde ein Optical Lever Messsystem aufgebaut, um mechanische Auslenkungen von mikromechanischen Resonatoren im Femtometerbereich aufzuzeichnen. Dabei wurde das Prinzip eines Optical Levers angewandt, welches in der Atomic-Force- Microscopy-Technologie, kurz AFM, weit verbreitet und gut verstanden ist. Um die wesentlichen Rauschquellen und deren Einflussgrößen zu identifizieren, wurde eine Noise Analyse des Systems durchgeführt. Zur Verifikation der Zielsetzung wurden mikro-mechanische Resonatoren zunächst mit einem Laser-Doppler-Interferometer charakterisiert und anschließend den Messergebnissen des erstellten Aufbaus gegenübergestellt. Zu diesem Zwecke wurde diese Arbeit wie folgt strukturiert. In Kapitel 1 wird die Arbeit eingeleitet mit einer kurzen Darstellung der historischen Entwicklung des Messprinzip eines Optical Levers, dafür wesentliche Publikationen werden aufgezählt und abschließend die grundlegenden Prinzipien diskutiert. Anschließend wird im Kapitel 2 Aufbau die Implementierung des Messsystems dargelegt. Dafür werden die wichtigsten Designentscheidungen argumentiert und abschließend die Noise Analyse durchgeführt. In Kapitel 3 Messung und Verifikation werden die durchgeführten Messungen und Messergebnisse gezeigt und die Möglichkeiten der Kalibrierung des Optical Lever Setups präsentiert. In Kapitel 4 wird eine Diskussion dieser Ergebnisse durchgeführt, ein Ausblick gegeben und eine Conclusio der Arbeit präsentiert.

An optical lever measurement system was designed for the purpose of detecting mechanical deflections of micromechanical resonators in the femtometer range. The system was based on the principle of an optical lever, which is widely used in AFM-technology. To identify the most crucial contributors and factors for the measurement noise floor, a noise analysis was performed.To verify the objective, micromechanical resonators were first characterized with a laser doppler interferometer, the results obtained were then compared with the measurements of the designed setup. To this end this thesis is structured as follows. In chapter 1, a brief introduction in the historical development of optical levers and an overview of important publications are given. The chapter concludes with an analysis of underlying physical principles. In chapter 2, the realised setup is introduced. This includes a discussion of the most important design trade-offs and leading to a final noise analysis. Chapter 3 describes the system verification, including the relevant measurements, and details possible calibration methods. In chapter 4 the previously shown results will be discussed, an outlook presented and a conclusion of the optical lever setup provided.