DE10162111A1

DE10162111A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Veränderung der komplexen Brechzahl mittels elektromagnetischer Strahlung im Inneren von für diese Strahlung durchlässigen Bauteilen

Info

Publication number: DE10162111A1
Application number: DE10162111A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Mueller; David Ashkenasi
Original assignee: Laser und Medizin Technologie GmbH
Current assignee: Laser und Medizin Technologie GmbH
Priority date: 2001-12-10
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2003-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Veränderung der optischen Eigenschaften eines Bauteils durch Modifikation der komplexen Brechzahl vorzugsweise unter der Oberfläche des Bauteils. Bereits vorhandene optische Eigenschaften im Innern des Bauteils werden lokal unter der Oberfläche in einer Weise verändert, dass diese Manipulation durch optische Verfahren inklusive des nacken Auges nachgewiesen werden können. Die Veränderung des komplexen Brechungsindex beruht dabei nicht auf der Erzeugung von Streuzentren aufgrund einer mechanischen Zerstörung im Bauteil. DOLLAR A Die Einstrahlung von ultrakurzen intensiven Impulsen induziert eine Separation, die eine lokale Erzeugung von dauerhaft erkennbaren Veränderungen im Innern des Bauteils bewirkt, z. B. die induzierte Bildung von Metallpartikeln im Innern von Anlaufgläsern oder die Bildung von metallischen Kolloiden im Innern von Fluoridkristallen. DOLLAR A Das Verfahren zur Innenmodifikation über Änderung des komplexen Brechungsindex kann zur farbigen Mikrostrukturierung, zur Markierung, zur Erzeugung von mikrooptischen Bauteilen, zur Datenspeicherung und zur Erzeugung von optischen Funktionselementen im Innern eingesetzt werden.

Description

Aufgabenstellung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Veränderung der optischen Eigenschaften eines Bauteils durch Modifikation der komplexen Brechzahl vorzugsweise unter der Oberfläche des Bauteils. Bereits vorhandene optische Eigenschaften im Innern des Bauteils werden lokal unter der Oberfläche in einer Weise verändert, dass diese Manipulation durch optische Verfahren nachgewiesen werden können. Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung mit den notwendigen technischen Voraussetzung zur Herstellung der dreidimensionalen Modifikation in den optischen Eigenschaften eines Bauteils, ohne erkennbare Veränderung in den mechanischen Eigenschaften des Bauteils, beispielsweise durch Bildung von Mikrorissen. Die Veränderung der komplexen Brechzahl im Innern wird ortskontrolliert durch die Fokussierung von elektromagnetischer Strahlung hoher Spitzenintensität in das für diese Strahlung durchlässige Bauteil herbeigeführt. Bei diesem Verfahren soll die durch die beschriebene Vorrichtung zeitlich stabile, also dauerhafte Veränderung der komplexen Brechzahl sich allein auf die optischen Eigenschaften beschränken und dabei keine mechanische Schädigung des Bauteils bewirken. Die Bildung von Rissen, Mikrolöchern oder ähnlicher mechanischer Zerstörungen im Medium wird, wie erwähnt, in diesem Verfahren ausgeschlossen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Bauteil, das in Übereinstimmung mit diesem Verfahren markiert worden ist. Die Markierung kann für das unbewafffnete menschliche Auge erkennbar aber auch verborgen sein, wobei in diesem letzteren Fall zusätzliche technische Hilfsmittel zur Sichtbarmachung eingesetzt werden müssen. Die Vorrichtung der technischen Hilfsmittel zur optischen Erkennung der mit diesem Verfahren eingebrachten Markierung hängen von der Natur der Änderung der komplexen Brechzahl und von den ursprünglichen optischen Eigenschaften des unveränderten Bauteils ab. Diese Markierung kann durch dieses Verfahren mehrfarbig gestaltet werden.

Stand der Technik

Es ist bekannt, dass die komplexe Brechzahl gleichzeitig die Absorptions- und Dispersionseigenschaften eines Bauteils charakterisiert. Folgende mathematische Formel beschreibt den materialtypischen Zusammenhang als Funktion der Lichtwellenlänge λ zwischen der komplexen Brechzahl ñ(λ), dem Absorptionsindex κ(λ) und der gewöhnlichen Brechzahl n(λ) für diese Strahlung durchlässige Bauteile:

ñ = n(1 - iκ)
Änderungen im Absorptions- und Dispersionsverhalten eines Bauteils führen zu einer Verschiebung in der komplexen Brechzahl. Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, wie die komplexe Brechzahl eines Bauteils mittels der vorgestellten Vorrichtung ortsgebunden nachweisbar verändert werden kann, mit den entsprechenden Konsequenzen bezüglich der Absorptions- und Dispersionseigenschaften in der Ortsumgebung der induzierten Modifikation.
Viele Gegenstände und Funktionselemente bestehen teilweise oder vollständig aus transparenten Bauteilen. Für transparente Werkstoffe und Komponenten existiert eine große Vielfalt an Anwendungen insbesondere in der optischen und opto-elektronischen Industrie, aber auch für das verarbeitende Gewerbe. Durch die große Auswahl an Materialien und Herstellungsverfahren können transparente Werkstoffe, z. B. Gläser, mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften hergestellt werden. Es besteht nun seit vielen Jahren das Bestreben, transparente Werkstoffe, optische Komponenten und entsprechende Bauteile, in ihren optischen Eigenschaften durch Modifikation der komplexen Brechzahl gezielt lokal zu verändern und diese lokale Veränderung im Medium über einen langen Zeitraum zu stabilisieren, von einigen Tagen bis praktisch lebenslang.
Es ist bekannt, Gegenstände oder Behälter unter Verwendung von Laserstrahlung zu markieren. Die erzeugten Markierungen haben aber häufig die Form einer Gravur oder einer detektierbaren Farbänderung an einer bestimmten Oberfläche. Beispielsweise beschreibt US-PS 4,758,703 ein Verfahren, ein mikroskopisch sichtbares Muster auf einer Oberfläche eines Gegenstandes versteckt zu codieren, wobei ein Strahl nicht fokussierter Laserstrahlung durch eine Maske hindurch geleitet wird, um das gewünschte Muster zu erzeugen, wobei die Intensität des Laserstrahls sorgfältig kontrolliert wird, so dass das Muster kaum auf die Oberfläche geätzt wird und für das unbewaffnete Auge unsichtbar bleibt. Dieses Muster kann aber, da es auf der Oberfläche des Bauteils vorliegt, zerstört oder entfernt werden.
Andererseits beschreibt US-PS 4,769,310 ein Verfahren zum Markieren von keramischen Materialien, Glasuren, Glaskeramikmaterialien und Gläsern, das wenigstens einen strahlungsempfindlichen Zusatzstoff aufweist, wobei ein Laserstrahl auf die Oberfläche des zu markierenden Materials fokussiert wird, um so eine Farbänderung innerhalb des bestrahlten Gebiets zu induzieren. Diese Farbänderung ist nur auf der Oberfläche und kann mit einfachen Mitteln wieder beseitigt werden.
Bei einem aus WO 89/07302 vorbekannten Verfahren zum Versehen eines Bauteils mit einer unter der Oberfläche angeordneten Markierung ist der Hauptteil des Bauteils für die Laserstrahlung undurchlässig und lediglich mit einer für die Laserschicht durchlässigen Schicht überzogen. Es wird dort daher im wesentlichen auf die für die Markierung von undurchlässigen Materialien bekannten Verfahren zurückgegriffen, wobei die durchlässige Oberflächenschicht den Markiervorgang nicht stört, sondern sogar gewisse Vorteile gegenüber Fällen mit sich bringt, in denen die Schicht nicht vorgesehen ist.
In DE 41 26 626 wird ein Verfahren zur Herstellung von Markierungen beschrieben, mit dem eine für das unbewaffnete Auge deutliche und dauerhafte Veränderung unter der Oberfläche eines transparenten Körpers geschaffen werden kann. Ein Laserstrahl wird in das Innere des transparenten Körpers fokussiert, um Mikrorisse im Volumen herzustellen. Diese Mikrorisse besitzen zwar starke Absorptions- und Streueigenschaften für Licht im optischen Spektralbereich und sind daher optisch gut sichtbar. Allerdings bewirkt das in DE 41 26 626 beschriebene Verfahren eine makroskopische Zerstörung im Innern des Bauteils. Die ursprünglichen mechanischen und thermischen Eigenschaften am Ort der Mikrorissbildung bleiben bei dem im DE 41 26 626 beschriebenen Verfahren nicht erhalten, sondern werden im Gegenteil wesentlich verändert und bilden die Grundlage zur optischen Modifikation mittels starker Streuung elektromagnetischer Strahlung. Dieses Verfahren führt aufgrund der lokalen Rissbildung zu einer Schwächung der mechanischen Stabilität und kann insbesondere bei dünnen Materialkörpern bzw. flachen Geometrien zur Zerstörung des Bauteils führen.
Auch in DE 44 07 547 wird ein Verfahren beschrieben, dass zur Kennzeichnung eines Bauteils bzw. Körpers im Innern nebeneinander angeordnete punktförmige Mikrorisse mittels gepulster Laserstrahlung induziert werden. Auch in diesem Verfahren entstehen Streuzentren, die eine Schwächung der mechanischen Eigenschaften des Bauteils bewirken.
Ähnliches gilt für die Ausführungen in DE 198 55 623, in der beschrieben wird, wie mit gepulster Laserstrahlung im UV nahe der Absorptionskante von transparenten Bauteilen unter der Oberfläche Markierungspunkte mit einem Durchmesser von 20 µm hergestellt werden. Bei den in DE 198 55 623 beschriebenen Laserparametern, insbesondere der langen Pulsdauer von 100 ns, können so im Wesentlichen nur Mikrorisse in bestimmten, für diese Strahlung geeignete Werkstoffe induziert werden.
In DE 198 23 257 wird ein Verfahren zur Veränderung des Extinktionsspektrum metallpartikelhaltiger Dielektrika beschrieben. Die Einstrahlung ultrakurzer Laserimpulse verändert die Form der im Glaskörper bereits vorliegenden Metallpartikel und induziert eine polarisationsabhängige Farbverschiebung. Notwendige Voraussetzung für die Umsetzung dieses Verfahrens sind bereits vorhandener sphärischer Metallpartikel - erwähnt werden in DE 198 23 257 Silber- oder Goldpartikel - im Glaskörper mit einer Größe zwischen einigen nm bis 100 nm.
Es ist auch bekannt, dass z. B. im photochromen Glas die UV-Bestrahlung eine Separation der Silberhalogenide in Elektron-Loch-Paare hervorruft, die sich als Verdunklung im Material optisch auszeichnet. Allerdings bewirken Rekombinationsprozesse eine Rückführung in den ursprünglichen Zustand innerhalb weniger Minuten bzw. Sekunden. Eine dauerhafte Separation der Silberhalogenide durch Laserstrahlung zur erstmaligen Erzeugung von Metallpartikeln im Glaskörper ohne Erzeugung von Schäden im Inneren des Bauteils (z. B. Mikrorisse) wird erstmalig in dieser Erfindung angemeldet. In Erweiterung des Erfindungsgedankens wird in dieser Anmeldung das Verfahren für andere Anlaufgläser, z. B. Halbleiter dotierte Farbgläser, beschrieben.

Erfindungsgemäße Lösung

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass auf eine Oberfläche des Körpers ein Laserstrahl gerichtet wird, für den das Material durchlässig ist. Um Irrtümer zu vermeiden, bezieht sich der hier verwendete Ausdruck "durchlässig" und "transparent" unter Bezugnahme auf ein Material, in dem der Strahl hoher Leistungsdichte wenigstens bis zur Tiefe der gewünschten Markierung eindringen kann und schließt somit auch durchscheinende Materialien und Materialien wie z. B. Anlaufgläser, Farbfiltergläser, photochromes Glas oder Rauchglas ein, in dem die Transparenz für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich verringert, jedoch nicht beseitigt ist. Der Ausdruck "durchlässig" schließt auch Materialien ein, die für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich undurchlässig sind, die jedoch wenigstens teilweise elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen durchlassen können, die im selben Bereich des elektromagnetischen Spektrums wie diejenigen des Strahls hoher Leistungsdichte liegen. Der Ausdruck "sichtbar" oder "optisch sichtbar" bezieht sich auf einen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der für das unbewaffnete menschliche Auge erkennbar ist.
Der Laserstrahl wird an einem Ort fokussiert, der von der Oberfläche einen Abstand aufweist und innerhalb des transparenten Körpers angeordnet ist, so dass dort eine hohe Leistungsdichte vorhanden ist. Die so erzielte hohe Leistungsdichte des Laserstrahls induziert nicht-lineare optische Effekte der Anregung, so dass eine sehr lokale Energieeinwirkung im transparenten Material erfolgt. Abhängig vom Bauteil und der Leistungsdichte des Laserstrahls können so Veränderungen in der komplexen Brechzahl erzielt werden, die eine Schaffung einer Markierung innerhalb des transparenten Materials in Form eines Gebietes von veränderten optischen Eigenschaften bewirkt. Diese veränderten optischen Eigenschaften der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Markierung sollen auf Änderungen im komplexen Brechungsindex beschränkt bleiben, z. B. durch lokale Photoreduktion, Bildung von stabilen Farbzentren, aber auch anderen Fluoreszenz- oder Absorptionszentren. Mikrorisse im Bauteil entstehen bei geeigneter Einstellung in diesem Verfahren nicht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Bauteil für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen innerhalb des sichtbaren Bereiches durchlässig oder auch nur teil-durchlässig.
Der Strahleinfall auf das Bauteil kann relativ zum zu markierenden Körper beweglich gestaltete sein, so dass die sichtbare oder verborgene Markierung von vorbestimmter Form sein kann. Die Markierung kann z. B. dreidimensional sein und/oder eine oder mehrere Ziffern, Buchstaben oder Symbole oder eine Kombination derselben aufweisen, die wiederum eine Identifizierung, ein Warenzeichen, einen maschinenlesbaren Code oder irgendein anderes gewünschtes Merkmal darstellen können. Entscheidend ist, dass die im Volumen erzeugte Markierung nicht die mechanischen Eigenschaften des Bauteils offensichtlich verändert. Der Strahl hoher Leistungsdichte kann ein fokussierbarer Teilchenstrahl sein, wie z. B. ein Elektronenstrahl, der ausreichend Energie zum Bewirken gezielter lokaler Energieeinwirkung innerhalb des Körpers des Materials aufweist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Bauteil erforderlichenfalls durch folgende Methode (bzw. Kombination aus folgenden Methoden) vorbehandelt und dann zur dauerhaften, ortsgebundenen Veränderung des komplexen Brechungsindex ein Laserstrahl mit ausreichend hoher Leistungsdichte aus Laserimpulsen hoher Spitzenleistung und ultrakurzen Laserimpulsen eingesetzt:

1. Wärme-Behandlung des Bauteils und Einsatz kurzgepulste Laserstrahlung;
2. Bestrahlung des Bauteils durch elektromagnetische Strahlung im UV und Einsatz kurzgepulste Laserstrahlung;
3. Bestrahlung des Bauteils durch Teilchenstrahl und Einsatz kurzgepulste Laserstrahlung;
4. Kombination aus Bestrahlung des Bauteils durch elektromagnetische Strahlung im UV, Temperatur-Behandlung des Bauteils und Einsatz kurzgepulste Laserstrahlung;
5. Kombination aus Bestrahlung des Bauteils durch einen Elektronenstrahl, Wärme- Behandlung des Bauteils und Einsatz kurzgepulste Laserstrahlung;
6. Kombination aus Bestrahlung des Bauteils durch einen Teilchenstrahl und elektromagnetische Strahlung im UV, Wärme-Behandlung des Bauteils und Einsatz kurzgepulste Laserstrahlung.

Die Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und einem Bauteil hängt stark von dem Verhältnis der Energiedichte zur gewählten Leistungsdichte der betreffenden Laserstrahlung ab. Erst die Verwendung von zeitlich modulierte Laserstrahlung steigert das Verhältnis zwischen der Leistungsdichte und der Energiedichte eines Einzelpulses. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es notwendig, mit hoher Leistungsdichte bei geringer Energiedichte zu arbeiten, da Veränderung der komplexen Brechzahl ohne sichtbare mechanische Schädigung im Medium eine sehr präzise Lokalisierung der Energie in den Bauteil erfordert. Diese Bedingung kann z. B. durch den Einsatz ultrakurzer Laserimpulse im Pulsdauerbereich ≤ 10^-10 s erfüllt werden. Eine Leistungsdichte ab ca. 10¹⁰ W/cm² bewirkt eine effiziente Einkopplung der Laserenergie überwiegend über nicht-lineare optische Effekte der Multiphotonen-Absorption, Tunnel- und Kaskaden-Ionisation. Diese Grenze der Leistungsdichte wird bei der Fokussierung von Laserstrahlung mit Laserimpulsen von 10^-10 s bereits mit Einzelpulsenergie unter 10 nJ erreicht. Um die Lokalisierung der Energie im Volumen zu ermöglichen, wird in diesem Verfahren der Einsatz von Laserstrahlung in einem Spektralbereich vorausgesetzt, für die der Bauteil durchsichtig bleibt, bis die Laserstrahlung aufgrund der Fokussierung eine kritische Leistungsdichte von ca. 10¹⁰ W/cm² erreicht.
Die Wechselwirkung von Laserstrahlung ultrakurzer Impulse mit transparenten Bauteilen zeigt eine überraschende Vielfalt von Modifikationen, die zu einer wirksamen und dauerhaften Veränderung in der komplexen Brechzahl dieser Bauteile genutzt werden kann. Im räumlichen Bereich der Energieeinkopplung werden im transparenten Bauteil Elektron-Loch-Paare erzeugt, die Ausgangspunkt für weitere Veränderungen im Bauteil sein können. Einige Elektron-Loch-Paare können sich von ihrem räumlich und energetisch gebundenen Zustand lösen. Die Trennung von Elektron-Loch-Paaren bewirkt eine Bildung eines sog. Farbzentrums, die eine Veränderung der Absorptions- und Reflexionseigenschaften auf einem mikroskopisch kleinem Ort bewirkt. Der Einsatz ultrakurzer Laserimpulse induziert eine geeignete Konzentration von sog. Farbzentren (Kolloide) oder submikroskopische Metallpartikeln im Innern von Bauteile. Abhängig von der Konzentration und Gruppierung der Farbzentren bewirkt die lokale Ansammlung solcher Defekt eine Änderung der komplexen Brechzahl, somit eine Variation in- den Absorptions- und Dispersionseigenschaften. Völlig überraschend wurde die Erzeugung von Farbzentren sogar in einem UV durchlässigen LiF-Kristall mittels infraroten, ultrakurzen Laserimpulsen gezeigt, die in Form von langen gelben Kanälen sogar mit dem unbewaffneten Auge erkennbar waren.
Entscheidend ist, das erst mit der hier beschriebenen Vorrichtung die notwendigen Voraussetzung geschaffen wurden, um gezielt im Innern von diesen Bauteilen die ausreichende Menge an Energie einzukoppeln, um ausschließlich eine wirksame Änderung in der komplexen Brechzahl des Mediums herzustellen, ohne signifikante Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften. Die so im Bauteil erzeugten Markierungen entstehen nicht mehr auf der Grundlage von Mikrorissen oder einer laserinduzierten Änderung bereits vorhandener (sphärischen) Metallpartikel im Bauteil. Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt deshalb an, die Leistungsdichte der ultrakurzen Laserimpulse so einzustellen, so dass keine optische wirksame mechanische Veränderung des Bauteils in Form von Mikrorissen oder spannungsinduzierte Doppelbrechung auftritt.
Nach diesem Verfahren steht dann auch ein Markierungsverfahren zur Verfügung, dass unterhalb der Oberfläche vorhanden wäre und nicht entfernt werden kann. Ein solches Verfahren würde offensichtlich fälschungssichere Anwendungen haben. Die Änderungen der komplexen Brechzahl könnte so beschaffen sein, dass verschiedene Absorptionszentren entstehen, welches ein Mehrfarbeneindruck bewirkt. Eine entsprechende Markierung von unterschiedlichen Änderungen der komplexen Brechzahl im Bauteil, z. B. nebeneinander, würde dann aus mehreren "Farben" bestehen. Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist die Realisierung eines multispektralen 3-dimensionalen Speichers, z. B. in einem Bauteil, der aus einem Würfel aus transparenten Material besteht, der durch die beschriebene Vorrichtung mit diesem Verfahren in seiner komplexen Brechzahl an verschiedenen Positionen in Innern unterschiedlich modifiziert worden ist. Die Speicherdichte könnte gegenüber einer Auslesung bei einer Wellenlänge in einem multispektral veränderten Bauteil um ein vielfaches erhöht werden, da jetzt die Auslesung über mehrere Wellenlängen erfolgen kann. Die Änderung der komplexen Brechzahl könnte so beschaffen sein, dass diese linien- oder flächenförmig angeordnet sind. Die nach diesem Verfahren veränderten Bauteile besitzen dann räumlich begrenzte (Farb-)Filtereigenschaften für elektromagnetische Wellen für Anwendungen z. B. im Bereich der optischen Projektion.

Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die Fig. 1, 2 und 3 Bezug genommen wird. Dabei wurde der in Fig. 4 illustrierte Aufbau eingesetzt. Ultrakurze Laserimpulse mit einer Pulsdauer von 200 fs und einer Wellenlänge von 800 nm wurden mit einer Quarzlinse einer Brennweite von 250 mm in ein photochromes Glas der Fa. Schott fokussiert, um die in Fig. 1 und 2 dokumentierten Innenmodifikationen zur erzeugen, die in einem Temperaturbereich bis mehrere 100 K oberhalb der Zimmertemperatur dauerhaft erhalten bleiben. Der Fokus des Laserstrahls lag somit unter der Oberfläche. Die Einzelpulsenergie wurde auf 40 µJ gesetzt, so dass die Energieflussdichte auf den Oberflächen des Glaskörpers nicht ausreichte, um diese zu verändern. Stattdessen konnten in Innern des Materials die Erzeugung von Weißlicht beobachtet werden. Eine Bestrahlungszeit von 1 Sekunde bei einer Wiederholrate von 1 kHz genügte, um die in Fig. 1 gezeigte Farbänderung im Innern des photochromen Glaskörpers dauerhaft zu induzieren. Die in Fig. 1 gezeigte lokale Färbung ist das Ergebnis einer laserinduzierten lokalen und dauerhaften Veränderung der komplexen Brechzahl im photochromen Glas und bewirkt eine Zunahme in der Absorption in einem bestimmten Spektralbereich. Diese Punkte können nebeneinander geordnet zu einem Strich geformt werden, wie in Fig. 2 zu sehen ist. Mikrorisse sind im in Fig. 1 und 2 gezeigten Bauteil nicht erkennbar, somit liegt ein völlig neues Verfahren für die Erzeugung dieser Mikromodifikation zugrunde. Durch eine geeignete Vorbehandlung mittels Wärme-, UV-, oder Teilchenstrahlung und dem nachfolgenden Einsatz von ultrakurzen Laserimpulsen konnte völlig überraschend dieser Rekombinationsprozess unterbrochen werden. Mit diesem Verfahren ist die Erzeugung von Absorptionszentren unterschiedlichem Transmissionswert möglich, d. h. verschiedene Graustufen lassen sich mit dieser Vorrichtung gezielt einstellen.
Unter Einsatz ultrakurzer Laserimpulse und teilweise mit thermischer Vorbehandlung der Bauteile konnte überraschend gezeigt werden, das z. B. in Anlaufgläsern dauerhaft punktförmige, strichförmige und flächenhafte Veränderungen in den optischen Eigenschaften generiert werden. Fig. 3 zeigt dies am Beispiel für ein Farbfilterglas, GG420 von der Fa. Schott. Dieses Anlaufglas wurde mit Halbleitermaterialien geeignet dotiert, dass die Absorptionskante bei 420 nm liegt, d. h. unterhalb der Wellenlänge von 420 nm absorbiert GG420 Glas, oberhalb 420 nm ist dieses Glas transparent. Durch die Dotierung mit Halbleitermaterialien zur Erzeugung des Anlaufglases entstehen vor der erfindungsgemäßen Behandlung keine submikroskopischen Metallpartikel im Innern des Glaskörpers. Ultrakurze Laserimpulse mit einer Pulsdauer von 200 fs und einer Wellenlänge von 800 nm wurden mit geeigneter Optik zur Strahlführung auf einen parallelen Strahlbündel mit einem konstanten Strahldurchmesser von 600 µm durch einen 10 mm dicken GG420 Glaskörper gelenkt. Vor dem Glas wurde eine Schablone des Firmenlogos der Laser- und Medizin-Technologie, Berlin GmbH (LMTB) im Kontakt vor das Anlaufglas gesetzt und der Laserstrahl mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/s über diese Fläche gerastert (gescant). In den ausgeschnittenen Bereichen der Schablone dringt der Laserstrahl in das Anlaufglas und führt zu der in Fig. 3 gezeigten Veränderung im Innern des Glasbauteils. Die Gesamtgröße der Markierung in diesem Ausführungsbeispiel ist ca. 3 mm × 3 mm und verbleibt als dauerhafte Innenmodifikation im Glaskörper auch bei Erwärmung deutlich über der Zimmertemperatur erhalten. Die Transmissionseigenschaft der laserinduzierten Modifikation ändert sich dramatisch und bleibt auch hier bei Zimmertemperatur dauerhaft bestehen. Die Transmission ab Wellenlängen von 420 nm fällt in diesem Beispiel von über 90% vor der Behandlung auf unter 25% nach der erfindungsgemäßen Behandlung. Die Oberfläche an der Vorder- und Rückseite des Glaskörpers bleibt unverändert. Die Einzelpulsenergie der Laserimpulse wurde auf 190 µJ gesetzt, so dass die Energieflussdichte von weniger als 200 mJ/cm² auf den Oberflächen des Glaskörpers nicht ausreichte, um diese zu verändern. Eine Bestrahlungszeit 1/100 Sekunde bei einer Wiederholrate von 1 kHz genügte, um im Innern von diesem Anlaufglas GG420 eine sichtbare, dauerhafte Transmissionsänderung zu induzieren. Bei Fokussierung der Laserstrahlung mit Laserimpulsen im Picosekunden-Impulsbreitenbereich genügen Einzelpulsenergien im Bereich von 100 pJ bis 100 nJ, um die erfindungsgemäße Veränderung im Innern von Anlaufgläsern zu induzieren.
Wenn das zu markierende Bauteil für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen innerhalb des sichtbaren Bereichs durchlässig ist, dann wird zum Erzeugen des Strahls mit der erforderlichen hohen Spitzenleistung vorzugsweise ein Ti : Saphir Laser (mit Titan dotierter Saphir Kristall) oder Cr-Fosterite (ein mit Chrom dotierter Fosterite Kristall) eingesetzt, die bei einer Grundwellenlänge von ca. 0,8 µm und 1,3 µm arbeiten oder ein modengekoppelter Nd : YAG Lasersystem oder ähnliche Lasersysteme, die ultrakurze Laserimpulse zwischen 0,1 × 10^-12 und 10 × 10^-12 s erzeugen. Der Brennpunkt des Strahls kann relativ zum Körper bewegt werden oder umgekehrt, der Körper kann auch relativ zur Fokuslage geführt werden. Es kann zur Fokussierung des Strahles ein Linsenelement vorgesehen sein, entweder in Form einer korrigierenden Linse, die den Strahl in derselben Tiefe innerhalb des Körpers unabhängig von irgendwelchen Krümmungen in dessen Oberfläche fokussiert, oder aber durch Mikroobjektive (Mikroskopobjektive mit unterschiedlicher Brennweite), oder aber durch Hochleistungsachromaten (speziell entwickelte Achromaten für ultrakurze Laserimpulse), oder aber durch Immersionsoptiken. Durch Abstandsvariation zwischen Bauteil und Linse können diese Markierungen in unterschiedlichen Tiefen innerhalb des Körpers hergestellt werden, so dass dreidimensionale Markierungen erzeugt werden. Des weiteren kann die Optik so gewählt werden, dass mit einem parallelen Laserstrahlbündel das Scannen bzw. Abrastern einer Schablone im Kontakt vor dem Glaskörper ausgeführt wird, oder die Schablone direkt durch optische Projektion in den Glaskörper abgebildet wird.
Gemäß der Erfindung kann ein optisch markiertes Bauteil geschaffen werden, in dem die Markierung aus einer Zone von Änderungen in der komplexen Brechzahl innerhalb des Bauteils besteht, die das Ergebnis von lokaler Einbringung von Energie ist und einen Abstand von der Oberfläche des Körpers aufweist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauteil für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen innerhalb des sichtbaren Bereiches durchlässig. Z. B. kann das Material aus Glas oder Kunststoff bestehen. Die Markierung kann dreidimensional sein und/oder eine oder mehrere Zahlen, Buchstaben oder Symbole oder eine Kombination davon aufweisen. Die Erfindung wird im folgenden anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben.
Es zeigt Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, erzeugt eine Quelle 1 einen Strahl von Laserstrahlung 2, die so gerichtet ist, dass sie auf ein Bauteil 4 auftritt, der im vorliegenden Beispiel die Form einer Scheibe hat. Da die zu erzeugende Markierung unterhalb der Oberfläche angeordnet sein soll, ist das Bauteil 4 so ausgewählt, dass sie aus Material wie Glas oder Kunststoff besteht, das für elektromagnetische Strahlung innerhalb des sichtbaren und infraroten Bereiches des elektromagnetischen Spektrums durchlässig ist. Außerdem ist die Quelle 1 so ausgewählt, dass das Material der Bauteil 4 für den Strahl der Laserstrahlung 2, die diese erzeugt, ähnlich durchlässig ist. Das Bauteil 4 wurde, abhängig vom Material und Zweck der Markierung durch Wärme-, UV- und/oder Teilchenstrom vorbehandelt, um den Vorgang einer schonenden Änderung der komplexen Brechzahl zu unterstützen oder die notwendigen physikalischen Voraussetzungen hierfür zu schaffen. In der gezeigten Vorrichtung weist die Quelle 1 ein gepulstes Lasersystem aus, das ultrakurze Laserimpulse hoher Spitzenleistung vorzugsweise bei einer Wellenlänge zwischen 0,8 und 1,3 µm aussendet. Auch die Umwandlung der gepulsten Laserstrahlung 2 in andere Wellenlänge mittels Frequenzkonversion kann durchgeführt werden, vorausgesetzt die Oberfläche des Bauteils ist für die Strahlung durchlässig. Ein Linsenelement 3 fokussiert den Strahl 2 an einen vorgegebenen Punkt 5 in einem Abstand von der Oberfläche des Bauteils 4 innerhalb der Dicke des Glas- oder Kunststoffmaterials, aus dem das Bauteil hergestellt ist. Wie wohlbekannt, ist die maximale Leistungsdichte des Strahls 2 umgekehrt proportional zum Quadrat des Strahlradius in seinem Brennpunkt 5. Der Strahlradius im Brennpunkt 5 kann durch Reduzierung der Brennweite von Linse 3 verkleinert werden, was in erster Näherung zu einer Erhöhung der Leistungsdichte führt. Andere Methoden zur Erhöhung der Leistungsdichte sind vorzugsweise Verkürzung der Laserimpulse und Ausnutzung der Selbstfokussierung. Vergrößerung der Einzelpulsenergie liefert auch eine Erhöhung der Leistungsdichte, führt aber in erster Näherung nicht zu einer Verbesserung im Verhältnis Leistungsdichte zur Energiedichte. Die Gefahr einer mechanischen Schädigung des Bauteils bzw. der Bildung einer erkennbaren Beschädigungszone durch Mikrorisse und Spannungen im Bauteil nimmt bei steigender Einzelpulsenergie zu. Mit Linsenelement 3 kann auch eine Projektion einer Schablone im Innern des Bauteils erfolgen, oder durch geeignete Bewegung der Probe oder des Laserstrahls eine Schablone im Kontakt mit dem Bauteil abgerastert werden, so wie dies im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 geschehen. Durch Bewegen der Bauteil 4 relative zum Strahl 2 und Linse 3 kann eine Markierung in einer vorbestimmten Form und insbesondere so hergestellt werden, dass sie eine oder mehrere Ziffern, Buchstaben oder Symbole oder eine Kombination derselben aufweist. Zusätzliche technische Hilfsmittel, z. B. geeignete optische Instrumente, werden zu Sichtbarmachung benötigt, wenn die nach diesem Verfahren hergestellte Markierung für das unbewaffnete Auge nicht sichtbar ist. Bezugszeichenliste 1 Laserquelle
2 Laserstrahlung
3 Linsenelement/Strahlformung/Strahlablenkung
4 Bauteil/Zielkörper
5 Wirkort/Brennpunkt/Gebiet der Veränderung der komplexen Brechzahl

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zum Versehen eines Bauteils mit einer in der Tiefe des Materials angeordneten, dauerhaften Markierung, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Oberfläche des Körpers ein Strahl hoher Energiedichte gerichtet wird, für den das Material durchlässig ist, so dass die Schaffung einer Markierung überwiegend innerhalb des transparenten Materials in Form eines Gebietes von erhöhter Absorption oder Reflexion für elektromagnetische Strahlung induziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen innerhalb des sichtbaren Bereiches durchlässig ist und dass die Markierung nur durch die Änderung der komplexen Brechzahl entsteht.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung dreidimensional ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung eine oder mehrere Ziffern, Buchstaben, Symbole oder eine Kombination derselben aufweist

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung mittels eines fokussierten Strahles erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung mittels des Abrastern einer Maske mit einem fokussierten oder parallelen Strahl erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung mittels der Belichtung einer Maske mit einem parallelen Strahl erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mittels Wärmestrahlung oder anderer thermischen Methoden vorbehandelt wurde.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mittels hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung im Ultraviolettem, Röntgen- bis Gammastrahlungsbereich vorbehandelt wurde.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mittels ionisierender Teilchenstrahlung aus Elektronen, Ionen oder Molekülen vorbehandelt wurde.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, das der Strahl hoher Leistungsdichte ein Laserstrahl ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl eine Leistungsdichte am Brennpunkt von wenigstens 10¹⁰ W/cm² hat.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser eine mit einer Pulsdauer von weniger als 10^-10 Sekunden gepulst ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Laserstrahlung zwischen 0,2 und 11 µm liegt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl durch einen Ti : Saphir, Cr : Fosterite oder anderen Lasersystemen zur Generierung ultrakurzer Laserimpulse erzeugt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennpunkt des Strahls relativ zum Körper bewegt wird, um so eine Markierung vorbestimmter Form zu erzeugen.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper relativ zum Brennpunkt des Strahls bewegt wird, um so eine Markierung vorbestimmter Form zu erzeugen.

18. Markiertes Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung aus einer Zone mit unbewaffneten Auge sichtbarer Farbzentren innerhalb des Bauteils besteht, die als Ergebnis lokalisierter Energieeinbringung von einer Oberfläche des Körpers einen Abstand aufweist.

19. Markiertes Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus Kunststoffen, Oxiden, Fluoriden, Gläsern, Farbgläsern, photochromen Gläsern oder anderen Anlaufgläsern besteht.