DE102018120568A1

DE102018120568A1 - Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelementes mittels Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102018120568A1
Application number: DE102018120568.6A
Authority: DE
Inventors: Malte Per Siems; Stefan Nolte; Daniel Richter; Ria Krämer; Thorsten Albert Goebel; Maximilian Heck
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2020-02-27
Also published as: CA3114273A1; WO2020039079A1; EP3841412A1; US20210402512A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelementes (1) mittels Laserstrahlung. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren bereit zu stellen, das die Korrektur von Abweichungen der optischen Funktionalität des Bauelementes von vorgegebenen Zielparametern ermöglicht. Hierzu umfasst das Verfahren gemäß der Erfindung die folgenden Verfahrensschritte:
- Erzeugung einer Struktur im Material des Bauelementes (1), die dem Bauelement (1) eine optische Funktionalität verleiht, und
- Modifikation der Brechzahl im Material des Bauelementes (1) mittels Laserstrahlen in einem Vor- und/oder Nachbearbeitungsschritt, d.h. vor bzw. nach der Erzeugung der Struktur, um Abweichungen der optischen Funktionalität des Bauelementes (1) von vorgegebenen Zielparametern zu korrigieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelementes mittels Laserstrahlung.
Zur Herstellung von optischen Komponenten, um diese mit bestimmten Funktionalitäten auszustatten, gibt es verschiedenste Ansätze. Dabei hat sich insbesondere die Verwendung von kurzen oder ultrakurzen Laserpulsen (Pulsdauer im fs- bis ps-Bereich) zur Modifikation von transparenten, partiell transparenten oder auch absorptiven Materialien im Volumen oder an der Oberfläche als Schlüsselwerkzeug bewährt. Das Material des Bauelementes wird lokal begrenzt durch die hohe Leistung der Laserpulse erhitzt, ob bis zu der Schwelle, ab der durch den einzelnen Laserpuls ein Plasma im Material erzeugt wird, oder darunter. Im Ergebnis wird eine Struktur als entsprechende lokal begrenzte Modifikation des Brechungsindex im Material des Bauelementes im Fokus der Laserstrahlung erzeugt, die Basis für die Funktion ist, z.B. als optisches Gitter.
Unabhängig von der gewählten Methode zur Erzeugung der Brechzahlmodifikationen, die dem Bauelement seine Funktionalität verleihen, kann es zu Abweichungen von den Zielparametern kommen. Die Zielparameter bestimmen die optische Funktion der erzeugten Struktur, z.B. für ein Bragg-Gitter die Dispersion und die zentrale Arbeitswellenlänge, d.h. Wellenlänge maximaler Reflektion (bzw. minimaler Transmission). Mögliche Gründe sind unter anderem Materialinhomogenitäten oder, im Fall von optischen Wellenleitern (z.B. optischen Fasern), Materialabweichungen zwischen verschiedenen Wellenleitern (bei Mehrkernfasern oder Wellenleitersystemen) oder entlang des jeweiligen Wellenleiters. Auch die Erzeugung der die optische Funktionalität bestimmenden Struktur selbst kann dazu führen, dass es zu Abweichungen von vorgegebenen Zielparametern kommt (z.B. durch den Eintrag von Wärme und die daraus resultierenden Materialspannungen). Solche Abweichungen lassen sich im Stand der Technik kaum bei der Herstellung der optischen Bauelemente kompensieren oder korrigieren.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, um diesen Problemen zu begegnen. Z.B. wird im Herstellungsprozess von Wellenleitern oder Wellenleitersystemen, z.B. Mehrkernfasern, viel Aufwand betrieben, um die Wellenleiter möglichst gleichförmig sowohl hinsichtlich der Symmetrie als auch der Materialbeschaffenheit zu erzeugen. Für Wellenleitersysteme mit nur einem Wellenleiter können sowohl thermisch als auch über Einwirkung mechanischer Kraft die Materialabweichungen in bestimmten Grenzen korrigiert werden. Dies ist kaum mehr umsetzbar, wenn das Wellenleitersystem mehr als einen Wellenleiter aufweist, da immer alle Wellenleiter in ähnlicher Weise beeinflusst werden.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren bereit zu stellen, das die Korrektur von Abweichungen der optischen Funktionalität des Bauelementes von vorgegebenen Zielparametern ermöglicht.
Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

- Erzeugung einer Struktur im Material des Bauelementes, die dem Bauelement eine optische Funktionalität verleiht, und
- Modifikation der Brechzahl im Material des Bauelementes mittels Laserstrahlen in einem Vor- und/oder Nachbearbeitungsschritt, d.h. vor bzw. nach der Erzeugung der Struktur, um Abweichungen der optischen Funktionalität des Bauelementes von vorgegebenen Zielparametern zu korrigieren.

Erfindungsgemäß erfolgt eine Vor- und Nachbearbeitung zur Reduzierung von unerwünschten Abweichungen und zur möglichst präzisen Erreichung der gewünschten Zielparameter. Die Erfindung eignet sich zur Herstellung von Bauelementen mit verschiedenen Funktionalitäten, mit periodischen oder auch aperiodischen Strukturen, in meist transparenten Bauelementen, wie z.B. optischen Fasern.
Bei einer möglichen Ausgestaltung werden Abweichungen von Zielparametern bei einem bereits strukturierten Bauelement zunächst ermittelt, wozu sich unter anderem Mikroskopiemethoden, wie Phasenkontrast- oder nichtlineare Mikroskopie (SHG, THG) eignen. Auch mittels ortsaufgelöster Raman-Spektroskopie können Materialabweichungen von der gewünschten Struktur ermittelt werden. Vor allem können mittels Spektroskopie Abweichungen der spektralen Eigenschaften ermittelt werden. Wird zusätzlich ein Interferometer verwendet, kann auch die dispersive Funktion vermessen werden. Auf dieser Basis können dann in dem Nachbearbeitungsschritt erfindungsgemäß Brechzahlmodifikationen eingebracht werden, um die festgestellten Abweichungen von den Zielparametern gezielt und präzise zu korrigieren.
Für die Modifikation des Materials des Bauelementes in dem Vor- oder Nachbearbeitungsschritt wird zweckmäßig gepulste Laserstrahlung verwendet, wobei die Pulsdauer 10 fs bis 10 ps beträgt und die Zentralwellenlänge im Bereich von 150 nm bis 10 µm liegt. Als Quelle zur Erzeugung derartiger Laserstrahlung dient zweckmäßig ein Kurzpulslaser (oder Ultrakurzpulslaser) an sich bekannter und kommerziell verfügbarer Art, beispielsweise ein Titan-Saphir-Laser oder auch einen modengekoppelter Faserlaser, bei dem als Lasermedium eine mit Seltenerdionen dotierte optische Faser zum Einsatz kommt, die mittels einer Laserdiode optisch gepumpt wird. Zur Erzielung der erforderlichen Leistungen wird die erzeugte Laserstrahlung zweckmäßig mittels eines oder mehrerer optischer Verstärker ebenfalls an sich bekannter und kommerziell verfügbarer Art verstärkt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in dem Vor- und/oder Nachbearbeitungsschritt eine Strahlformung und/oder eine Strahlablenkung der auf das Bauelement gerichteten Laserstrahlung, um eine räumlich veränderliche Modifikation der Brechzahl im Material des Bauelementes gezielt zu erzeugen. Die Strahlformung/oder Strahlablenkung erfolgt dabei zweckmäßig mittels einer steuerbaren Fokussieroptik und/oder einer adaptiven Optik. Als Resultat des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhaft die räumlich veränderliche Modifikation der Brechzahl der die optische Funktionalität bestimmenden Struktur im Material des Bauelementes überlagert, so dass das fertige Bauelement mit hoher Präzision die Zielvorgaben erfüllt. Für die Ablenkung und Fokussierung der Laserstrahlung eignet sich besonders eine adaptive Optik. Die adaptive Optik kann genutzt werden, um den Intensitätsverlauf über den Querschnitt des Laserstrahls zu modifizieren und so den Strahl zu formen. Die notwendige Richtungsänderung und Fokussierung des Laserstrahls wird durch die Ablenk- und Fokussieroptik erreicht, wozu diese zweckmäßig während des Vor- und/oder Nachbearbeitungsschritts von einem Steuerrechner angesteuert wird. Im einfachsten Falle wird eine Kombination aus Umlenkspiegel und Fokussieroptik (in Form z.B. einer verstellbaren Anordnung aus sphärischen oder zylindrischen Linsen oder auch Freiformoptiken und/oder gekrümmten Spiegeln) verwendet. Alternative Realisierungen sind möglich, zum Beispiel auf Basis diffraktiver Optiken. Damit ist eine gezielte lokale sowie auch großflächige Vor- und/oder Nachbearbeitung möglich, z.B. indem der für die Brechzahlmodifikation verwendete Laserstrahl über das Bauelement geführt (gescannt) wird. Durch die Kombination von statischen optischen Komponenten mit verstellbaren optischen Komponenten für die Vor- und/oder Nachbearbeitung kann eine flexible lokale und auch großflächige Modifikation erfolgen.
Gemäß der Erfindung erfolgt die Strahlformung vorzugsweise mittels einer adaptiven Optik. Adaptive optische Elemente sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt, zum Beispiel in Form von mechanisch deformierbaren oder verstellbaren Spiegeln oder Linsen. Das adaptive optische Element ermöglicht eine statische oder dynamische Kontrolle der Strahlform. Im Sinne der Erfindung ist ein adaptives optisches Element jedwedes Element, das eine anpassbare Kontrolle des Wellenfront- und Intensitätsverlaufes der Laserstrahlung ermöglicht. Dadurch wird eine präzise Kontrolle des Intensitäts- und Wellenfrontverlaufes im Material des Bauelementes ermöglicht. Als adaptives optisches Element eignet sich jedwedes aus dem Stand der Technik bekanntes statisch oder dynamisch anpassbares reflektives oder transmissives Element, das die Strahlform modifiziert. Durch die erfindungsgemäß eingesetzte adaptive Optik ist die gezielte Beeinflussung der resultierenden Modifikation möglich, da zum Beispiel durch die Verwendung von permanenten oder dynamisch adaptiven Spiegeln unerwünschte lokale Materialabweichungen im Material flexibel einzeln adressiert werden können.
Vorteilhaft kann in dem Vor- und/oder Nachbearbeitungsschritt zur Erzeugung der räumlich veränderlichen Modifikation die Pulsenergie, die Repetitionsrate und/oder die Anzahl der im Material des Bauelementes pro Volumen oder pro Fläche applizierten Laserpulse variiert werden. Hierfür kann mit dem für die Vor- und/oder Nachbearbeitung des Bauelementes verwendeten Steuerrechner der Laser (oder ein zugehöriger Pulspicker oder Abschwächer) entsprechend auf einfache Weise angesteuert werden.
Bei einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Bauelement während der Modifikation der Brechzahl in einer Halterung eingespannt, und/oder zur Einkopplung der Laserstrahlung in das Material des Bauelementes wird eine Immersionsflüssigkeit verwendet. Durch die Halterung kann eine mögliche Oberflächenkrümmung bzw. -verkrümmung des Bauelementes (z.B. Krümmung der Faseroberfläche) überwunden werden. Eine Immersionsflüssigkeit verbessert die Einkopplung der Laserstrahlung in das Material des Bauelementes.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vorteilhaft zur Herstellung von optischen Bauelementen wie Lichtwellenleitern oder Lichtwellenleitersystemen, insbesondere optischen Ein- oder Mehrkernfasern (mit oder ohne Coating). Bei Fasern mit Coating (z.B. aus Polymermaterial) kann die zur Modifikation der Brechzahl bei der Nachbearbeitung verwendete Laserstrahlung auch in die Faser axial eingekoppelt werden.
Die optische Funktionalität des Bauelementes kann diejenige eines optischen Gitters, insbesondere eines Faser-Bragg-Gitters, eines aperiodischen Faser-Bragg-Gitters, eines langperiodischen Gitters oder eines Volumen-Bragg-Gitters sein. Der erfindungsgemäß einzustellende Zielparameter kann eine zentrale Arbeitswellenlänge und/oder eine Dispersion des Bauelementes sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 schematische Illustration der Brechzahlmodifikation gemäß der Erfindung: a) gleichmäßige Modifikation, b) linear ansteigende Modifikation der Brechzahl, c) variable Modifikation;
2 schematische Darstellung einer für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten optischen Anordnung.

Die Diagramme der 1 zeigen verschiedene Brechzahlprofile n(x) entlang der Längsachse x eines Lichtwellenleiters. Die durchgezogene Kurve gibt jeweils das Brechzahlprofil n(x) an, das als Struktur im Material des Bauelementes 1 zunächst erzeugt wurde, um dem Bauelement seine optische Funktionalität zu verleihen, hier eine periodische Struktur (Bragg-Gitter) als schmalbandiger Reflektor. Der Pfeil in jedem der Diagramme deutet an, wie die Brechzahl in einem Nachbearbeitungsschritt modifiziert wird, so dass sich dann das Brechzahlprofil n(x) gemäß der jeweiligen gestrichelten Kurve ergibt. Die lokale Änderung der Brechzahl muss dabei nicht zwingend immer positiv sein.
Die 2 zeigt schematisch eine Anordnung, mit der erfindungsgemäß in einem Vor- oder Nachbearbeitungsschritt eine Brechzahlmodifikation in das Material des Bauelementes eingebracht werden kann.
Als Laserquelle dient ein Ultrakurzpulslaser 2 mit einer Zentralwellenlänge aus dem Bereich 150 nm bis 10 µm, mit möglichen Pulslängen im Bereich von 10 fs bis 10 ps. Als Materialien des zu bearbeitenden Bauelementes 1 sind alle Arten von transparenten, teiltransparenten oder absorptiven Materialen (für die jeweils verwendete Laserzentralwellenlänge) geeignet, welche z.B. als optische Faser mit und ohne Coating, als Volumenmaterial mit und ohne Wellenleiter usw. vorliegen können. Um eine mögliche Oberflächenkrümmung oder eine sonstige Verkrümmung des Bauelementes (z.B. Krümmung der Faseroberfläche) zu überwinden, kann sich dieses auch in einer entsprechenden Halterung (nicht dargestellt) befinden, wahlweise ergänzt durch eine Immersionsflüssigkeit zur Einkopplung der zur Brechzahlmodifikation verwendeten Laserstrahlung.
Die Verwendung der ultrakurzen Laserpulse ermöglicht das lokale Modifizieren des Materials. Damit ist eine stark lokalisierte Änderung des Brechungsindex möglich. Darüber hinaus ermöglichen die ultrakurzen Pulse der Laserstrahlung die Modifizierung von transparenten (oder teiltransparenten) Materialien. Der zu bearbeitende Bereich im Material des Bauelementes wird zweckmäßig mittels Strahlformung oder Scannen des Laserstrahls adressiert. Die Stärke der Brechzahländerung kann unter anderem durch die Pulsenergie, die Anzahl der Pulse pro Fläche oder pro Volumen und die Repetitionsrate des Lasers kontrolliert werden.
Mit einer gleichförmigen Änderung des Brechungsindex, wie in 1a dargestellt, lässt sich die zentral reflektierte Wellenlänge eines Bragg-Gitters verändern.
Eine zu einer Seite des Bauelementes hin ansteigende (oder absinkende) Modifikation des Brechungsindex, wie in 1b dargestellt, kann zu einer Veränderung der dispersiven und reflektiven Eigenschaften genutzt werden.
Darüber hinaus sind nichtlineare Verläufe der Brechzahlmodifikation denkbar, um gezielt gewünschte komplexe Dispersions- und Reflexionsprofile zu erhalten. Ein Beispiel dafür, wie ein solcher nichtlinearer Verlauf, aufgeprägt auf eine periodische Struktur, aussehen kann, ist in 1c gezeigt.
Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Vor- oder Nachbearbeitung können verschiedene optische Anordnungen verwendet werden. Z.B. kann, wie in 2 angedeutet, eine abbildende Fokussieroptik 3 (umfassend sphärische oder zylindrische Linsen, eine Freiformoptik, gekrümmte Spiegel etc.), bei Bedarf auch in Kombination mit einer flexiblen adaptiven Optik 4 zur Strahlformung zum Zwecke der gezielten lokalen Modifikation verwendet werden. Damit ist sowohl eine großflächige wie auch lokale Vor- und/oder Nachbearbeitung möglich. Für den Fall einer Nachbearbeitung von Strukturen innerhalb oder im Wirkungsbereich eines Lichtwellenleiters (z.B. innerhalb einer gecoateten Faser) kann die Laserstrahlung auch in diesen eingekoppelt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelementes (1) mittels Laserstrahlung, mit den folgenden Verfahrensschritten: - Erzeugung einer Struktur im Material des Bauelementes (1), die dem Bauelement (1) eine optische Funktionalität verleiht, und - Modifikation der Brechzahl im Material des Bauelementes (1) mittels Laserstrahlen in einem Vor- und/oder Nachbearbeitungsschritt, d.h. vor bzw. nach der Erzeugung der Struktur, um Abweichungen der optischen Funktionalität des Bauelementes (1) von vorgegebenen Zielparametern zu korrigieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Modifikation der Brechzahl in dem Vor- und/oder Nachbearbeitungsschritt verwendete Laserstrahlung gepulst ist, wobei die Pulsdauer 10 fs bis 10 ps beträgt und die Zentralwellenlänge im Bereich von 150 nm bis 10 µm liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vor- und/oder Nachbearbeitungsschritt eine Strahlformung und/oder eine Strahlablenkung der auf das Bauelement (1) gerichteten Laserstrahlung erfolgt, um eine räumlich veränderliche Modifikation der Brechzahl im Material des Bauelementes (1) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformung/oder Strahlablenkung mittels einer Fokussieroptik (3) und/oder einer adaptiven Optik (4) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlich veränderliche Modifikation der Brechzahl der die optische Funktionalität bestimmenden Struktur im Material des Bauelementes (1) überlagert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der räumlich veränderlichen Modifikation die Pulsenergie, die Repetitionsrate und/oder die Anzahl der im Material des Bauelementes (1) pro Volumen oder pro Fläche applizierten Laserpulse variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (1) während der Modifikation der Brechzahl in einer Halterung eingespannt ist und/oder zur Einkopplung der Laserstrahlung in das Material des Bauelementes (1) eine Immersionsflüssigkeit verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement (1) ein Lichtwellenleiter oder ein Lichtwellenleitersystem, insbesondere eine optische Ein- oder Mehrkernfaser ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Funktionalität diejenige eines optischen Gitters, insbesondere eines Faser-Bragg-Gitters, eines aperiodischen Faser-Bragg-Gitters, eines langperiodischen Gitters oder eines Volumen-Bragg-Gitters ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielparameter eine zentrale Arbeitswellenlänge und/oder eine Dispersion des Bauelementes (1) bestimmen.