Diepgaande opticatraining houdt cursisten én docent scherp

Stefan Bäumer is een opticus in hart en nieren die ook graag lesgeeft omdat hij het leuk vindt kennis verder te verspreiden en omdat het hem naar eigen zeggen scherp houdt. Met onverminderd enthousiasme verzorgt hij al jaren de training ‘Modern optics for optical designers’ bij High Tech Institute. De training is pittig – alle aspecten van de optica passeren de revue – maar ook heel waardevol, vertellen deelnemers hem na afloop.

Antoinette Brugman
3 juli

Een van de mooie dingen aan de optica, vindt Stefan Bäumer, is het visuele. ‘Als je in het laboratorium een opstelling bouwt met een licht- of laserbundel en lenzen, dan kun je met je visitekaartje de bundel volgen en zien wat hiermee gebeurt en hoe zich hiermee een afbeelding vormt. Dat je direct visueel het effect ziet, vind ik ontzettend leuk’, vertelt hij enthousiast. Hij werkt graag in de optica omdat de optiek het hart vormt van het optische (meet)systeem. De optica is bepalend voor de functies en bepaalt de tolerantie van het systeem.

‘In de toekomst gaan we steeds meer naar end-to-end-modelleren toe’, stelt Stefan Bäumer, docent bij High Tech Institute.

Bäumers ervaring in de optica gaat ver terug. Al tijdens zijn master natuurkunde, die hij volgde aan de Washington State University, was er een link. Ook tijdens zijn promotie aan de Technische Universität Berlin hield hij zich bezig met optica bij het Optical Institute.

Na afronding van zijn PhD startte Bäumer zijn loopbaan bij Philips in Eindhoven. Hier begon hij als optical designer bij CFT en later bij Philips High Tech Plastics. Daarna werkte hij acht jaar als senior optical system designer bij Philips Applied Technologies en bij Philips Research. Na een korte tijd als senior principal engineer bij Philips Lighting vroeg TNO of hij daar wilde komen werken. Dat zag hij wel zitten; het gaf hem de mogelijkheid om ook eens bij een andere organisatie zijn licht op te steken. Zo stapte hij – na een carrière van zeventien jaar bij Philips – over naar de optische groep van TNO in Delft.

Nu werkt Bäumer alweer bijna acht jaar als senior optical designer bij TNO. Sinds 2015 maakt hij er ook deel uit van de groep principal scientists, die mede het technische beleid bepalen. Bäumer is als principal scientist medeverantwoordelijk voor de richting die het onderzoek in de optica bij TNO op gaat.

Vooruitgang

Om te kunnen bepalen welke kant ze bij TNO Optica op moeten, is het zeker ook handig dat Bäumer al lang meedraait in het vakgebied. Hierdoor is hij goed op de hoogte van de ontwikkelingen. ‘Eigenlijk is er een aantal belangrijke ontwikkelingen waardoor de optica een sterke groei heeft doorgemaakt. De nauwkeurigheid waarmee je optische systemen kunt modelleren, is enorm toegenomen. Ook is de integratie met andere disciplines sterk verbeterd. Daarnaast is het maken van optische elementen verbeterd, doordat de maaktechnologie flinke sprongen vooruit heeft gemaakt. Ten slotte zijn er met name in het nabij infrarood mogelijkheden voor detectoren en lichtbronnen bij gekomen, die bijvoorbeeld hun toepassing vinden in het medisch onderzoek’, licht Bäumer toe.

Door vergaande technologische ontwikkelingen op het gebied van optisch systeemontwerp zijn de prestaties van allerlei simulatieprogramma’s de laatste jaren inderdaad flink verbeterd. Ook de optica profiteert hiervan. ‘Vroeger werkte ik met vrij rudimentaire optische ontwerpprogramma’s waarmee je systemen kon modelleren en een lay-out kon maken. Er was nog relatief veel handwerk’, vertelt Bäumer. ‘Tegenwoordig kun je veel sneller en nauwkeuriger modelleren. Je kunt allerlei fenomenen meenemen in je simulaties, zoals nanostructuren en diffractie. Ook de integratie met andere vakgebieden zoals de thermische disciplines, de mechanica en de verbeterde communicatie tussen softwaresystemen van de verschillende disciplines hebben gezorgd voor vooruitgang.’

Zeker is dat ook de verfijndere maaktechnologieën die nu ter beschikking staan de optische ontwikkelingen enorm hebben versneld. Dit is mede te danken aan draaibanken met een veel hogere nauwkeurigheid – met diamantdraaien kun je ongekend nauwkeurige optische oppervlakken maken, waaronder vrijevormoppervlakken – en nieuwe technieken zoals magneto-rheological finishing (MRF) en ion beam figuring (IBF). Deze technieken geven optici de mogelijkheid om optiek te ontwerpen met veel betere specificaties. Ook is hierdoor de laatste tien jaar de vrijevormoptica opgekomen. Deze tak van de optica ontwerpt nieuwe optische elementen die geen translatie- of rotatiesymmetrie hebben over de optische as. Dit biedt ruimte voor betere prestaties, miniaturisatie en voor nieuwe optische functionaliteiten.

Stefan Bäumer: ‘Ik wil mijn cursisten graag een goede optische basiskennis meegeven, die hen in staat stelt een goede inschatting te maken wat er mogelijk is bij optische systemen. En natuurlijk ook waar de grenzen liggen van wat haalbaar is.’ Foto: TNO

‘In de toekomst gaan we steeds meer naar end-to-end-modelleren toe’, zo voorspelt Bäumer. ‘Hiermee bedoel ik dat we de systeemprestaties van bron tot detector onder alle omstandigheden gaan voorspellen door gebruik te maken van onder meer high-performance computing, zoals ook gebeurt met ray tracing (doorrekenen hoe lichtstralen zich gedragen in het optische systeem, AB) via grafische kaarten. Dit is een techniek die ze in de filmindustrie al gebruiken, maar die ook in het wetenschappelijke domein meer terrein wint. Daarnaast verwacht ik dat er meer aandacht komt voor computational optics. Doordat er steeds meer rekenkracht beschikbaar komt, zullen er meer mogelijkheden zijn om een beter compromis te vinden tussen optische hardware en dataprocessing via software. Hierdoor zullen er andere keuzes gemaakt worden in optische systemen. Ook zullen nanogestructureerde oppervlaktes en materialen steeds meer hun toepassing vinden in de optica. Voor de optica in het algemeen zullen de ontwikkelingen op kwantumgebied een heel nieuw domein ontgrendelen.’

Totaaloverzicht

Met al zijn kennis over optische systemen en over de ontwikkelingen in het vakgebied kan Bäumer zijn cursisten tijdens de trainingen veel vertellen en laten zien. ‘In de training ‘Modern optics for optical designers’ komen alle basisprincipes uit de optica voorbij. Het is voor de cursisten belangrijk om te begrijpen hoe dingen werken en welke principes hierachter zitten. Hoe hebben elektromagnetische golven en diffractie invloed op optische systemen? Wat zijn polarisatie-effecten? Deze vragen passeren allemaal de revue’, benadrukt Bäumer.

Dat deze training een totaaloverzicht geeft over het hele domein van de optica maakt hem uniek. Er bestaan wel veel specialistische opticacursussen, die inzoomen op een specifiek gebied zoals niet-lineaire optica of optisch design. Wat deze training echter uniek maakt, is dat het hele domein van de optica aan bod komt. Een team van maar liefst zeven gekwalificeerde docenten, ieder werkzaam in de optica en gespecialiseerd in een bepaald deelgebied, zorgt voor kwalitatief hoogwaardige trainingen.

‘Juist de breedte en het vele huiswerk dat cursisten moeten doen, maken het tot een pittige training. Maar dat huiswerk vormt de sleutel tot het zich eigen maken van de materie. Als ik de cursisten achteraf spreek en vraag wat zij ervan vonden, dan zeggen ze dat het zwaar was, maar dat ze enorm veel geleerd hebben. Ook voor mij is de training erg inspannend. Elke training kost veel voorbereiding en er is veel nakijkwerk, maar ik leer er ook elke keer weer van en dat houdt me scherp. Ik wil mijn cursisten graag een goede optische basiskennis meegeven, die hen in staat stelt een goede inschatting te maken wat er mogelijk is bij optische systemen. En natuurlijk ook waar de grenzen liggen van wat haalbaar is.’