DE102020115869A1 - Herstellung eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation - Google Patents

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Gordon Zyla
Martin Hofmann
Cemal Esen
Evgeny Gurevich
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Abstract

Schreibkopf (1) zum Herstellen eines Objekts (2) mittels Zwei-Photonen-Polymerisation, umfassend:■ eine monolithisch modengekoppelte Laserdiode (3),■ ein Mikroskopobjektiv (4), das zur Fokussierung von mit der monolithisch modengekoppelten Laserdiode (3) erzeugter Laserstrahlung (5) eingerichtet und angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schreibkopf, eine Vorrichtung, ein Verfahren und eine Verwendung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation.
  • Die Herstellung von Objekten mittels Zwei-Photonen-Polymerisation (kurz 2PP) ist bekannt. Damit lassen sich kleine Objekte additiv durch Bestrahlung eines photosensitiven Ausgangsstoffs fertigen. Die Objekte können Strukturen mit Abmessungen im Bereich von einigen 100 nm [Nanometer] aufweisen. Die Zwei-Photonen-Polymerisation ist damit gegenüber anderen lithographischen Techniken flexibler. Damit bietet die Zwei-Photonen-Polymerisation ein herausragendes Potential zum Einsatz für eine Vielzahl interdisziplinärer Fachbereiche, wie z. B. für die Herstellung von photonischen Kristallen, Mikropumpen für die Mikrofluidik, elektromechanischen Mikrosystemen (MEMS) oder von Produkten im Bereich der Biologie, Medizin oder Mikrooptik.
  • Zur Herstellung des Objektes wird der Ausgangsstoff durch Zwei-Photonen-Polymerisation lokal dort ausgehärtet, wo die Intensität der Laserstrahlung hinreichend hoch ist. Der Ausgangsstoff wird so bestrahlt, dass die für die Zwei-Photonen-Polymerisation erforderliche Intensität lokal nur dort erreicht wird, wo das Objekt Material aufweisen soll. Die Herstellung kann daher auch als 3D-Druck aufgefasst werden.
  • Der Ausgangsstoff kann von der Laserstrahlung durchdrungen werden. Grundsätzlich kommt es dabei nicht zur Zwei-Photonen-Polymerisation. Nur bei Fokussierung der Laserstrahlung wird die erforderliche Intensität in einem kleinen Volumenbereich um den Fokuspunkt erreicht. Durch Wahl des Fokuspunkts ist es daher möglich, den Ausgangsstoff abseits seiner Oberfläche in einer gezielt einstellbaren Tiefe auszuhärten. Dabei genügt es, zu Beginn des Verfahrens eine Menge des Ausgangsstoffs bereitzustellen. Weil die Aushärtung auch im Innern des Ausgangsstoffs erfolgen kann, ist es nicht erforderlich, den Ausgangsstoff schichtweise bereitzustellen.
  • Bei der Zwei-Photonen-Polymerisation kommt es durch nahezu gleichzeitige (quasi-simultane) Absorption von zwei Photonen zur Polymerisation. Die Absorption eines einzelnen Photons würde dabei nicht ausreichen, weil die Energie der Photonen der verwendeten Laserstrahlung nicht ausreicht, um die Atome des Ausgangsstoffs in den ersten angeregten Zustand anzuregen. Für eine Anregung müssen zwei Photonen innerhalb einer Zeit von weniger als etwa einer Femtosekunde (10-15 s) absorbiert werden, so dass die Energie der beiden Photonen gemeinsam die Anregung ermöglicht. Es wird dabei auch von der quasi-simultanen Absorption zweier Photonen oder der „Zwei-Photonen-Absorption“ gesprochen. Dabei handelt sich um einen nichtlinearen optischen Vorgang.
  • Zur Zwei-Photonen-Polymerisation kann es nur unter bestimmten Bedingungen kommen. Insbesondere ist eine große Energiedichte erforderlich. Dies entspricht einer großen Photonendichte, also einer lokal hohen Intensität der Laserstrahlung. Ansonsten wäre die Wahrscheinlichkeit sehr gering, dass zwei Photonen innerhalb einer Zeitspanne von weniger als einer Femtosekunde auf ein Atom treffen.
  • Derart große Photoendichten können mit Lasern erzielt werden, die ultrakurze Lichtpulse aussenden („Ultrakurzpulslaser“). Das liegt daran, dass bei gepulster Laserstrahlung die Pulsspitzenintensität invers mit der Pulsdauer skaliert. Die Effektivität des 2PP-Prozessen hängt daher sehr stark von der Pulsdauer der Laserquelle ab. In bekannten Verfahren zur Zwei-Photonen-Polymerisation werden Ti:Saphir-Laser eingesetzt. Ein solcher Laser muss optisch mittels eines Festkörperlasers gepumpt werden, der wiederrum mittels Dioden betrieben wird. Ein System mit Ti:Saphir-Laser ist daher entsprechend groß, hat eine geringe Energieeffizenz und muss mithilfe von Wasser gekühlt werden. Dabei ist es nicht möglich, die Laserstrahlung auf kurzem Wege unmittelbar in den Ausgangsstoff zu leiten. Daher sind bei einem Ti:Saphir-Laser aufwendige optische Elemente erforderlich. Bekannte Vorrichtungen zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation sind entsprechend groß, schwer und teuer. Beispielsweise können derartige Vorrichtungen mehrere Kubikmeter Volumen einnehmen, mehrere 100 kg schwer sein und mehrere Hunderttausend Euro kosten.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik eine Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation bereitzustellen, die kleiner, leichter, energieeffizenter und günstiger ist als bekannte Vorrichtungen. Weiterhin sollen ein entsprechender Schreibkopf, ein entsprechendes Verfahren und eine entsprechende Verwendung vorgestellt werden.
  • Diese Aufgaben werden gelöst mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung dargestellten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar.
  • Erfindungsgemäß wird ein Schreibkopf zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation vorgestellt. Der Schreibkopf umfasst:
    • ■ eine monolithisch modengekoppelte Laserdiode,
    • ■ ein Mikroskopobjektiv, das zur Fokussierung von mit der monolithisch modengekoppelten Laserdiode erzeugter Laserstrahlung eingerichtet und angeordnet ist.
  • Der Schreibkopf kann in einer Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation eingesetzt werden. Dabei wird der photosensitive Ausgangsstoff durch Zwei-Photonen-Polymerisation polymerisiert und insoweit ausgehärtet. Das kann lokal selektiv erfolgen, so dass das Objekt aus dem Ausgangsstoff erhalten werden kann. Der Ausgangstoff kann auch als Probe bezeichnet werden. Der Ausgangsstoff wird so bestrahlt, dass die für die Zwei-Photonen-Polymerisation erforderliche Intensität lokal nur dort erreicht wird, wo das Objekt Material aufweisen soll. Als das photosensitive Material kommen insbesondere Harze in Betracht. Der Ausgangsstoff wird während der Herstellung des Objekts relativ zum Schreibkopf bewegt. Damit gelangt die Laserstrahlung an die Stellen des Ausgangsstoffs, die polymerisiert werden sollen. Durch Veränderung des Fokuspunktes der Laserstrahlung und/oder durch Bewegung des Ausgangsstoffs auf den Schreibkopf zu beziehungsweise von diesem weg kann beeinflusst werden, in welcher Tiefe der Ausgangsstoff polymerisiert wird. Der Fokuspunkt kann beispielsweise durch Verschieben des Ausgangsstoffs relativ zum Mikroskopobjektivs eingestellt werden. Das Objekt wird vorzugsweise dadurch hergestellt, dass der Ausgangsstoff mit der fokussierten Laserstrahlung anhand eines dreidimensionalen Rasters abgefahren wird. Dabei kann der Ausgangsstoff an beliebiger Stelle im dreidimensionalen Raum polymerisiert werden. So kann das Objekt durch Abfahren des Ausgangsstoffs erhalten werden. Dies kann als Schreiben bezeichnet werden, weshalb der Schreibkopf als solcher bezeichnet wird. Die Bestrahlung mit der Laserstrahlung kann auch als Belichtung bezeichnet werden. Nachdem das Objekt erhalten worden ist, kann der verbliebene Ausgangsstoff an den nicht bestrahlten Stellen entfernt werden, beispielsweise durch ein Lösemittel.
  • Der Ausgangsstoff kann beispielsweise von einem Halter gehalten sein, mit dem der Ausgangsstoff relativ zu dem Schreibkopf beweglich ist, vorzugsweise in drei Dimensionen. Der Halter ist Teil der Vorrichtung zum Herstellen des Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation, nicht aber des Schreibkopfes. Vorzugsweise ist der Halter dazu bestimmt und eingerichtet, den Ausgangsstoff zu positionieren und/oder auszurichten. Dazu weist der Halter vorzugsweise Antriebsmittel auf. Der Schreibkopf ist vorzugsweise starr in der Vorrichtung gehalten. Alternativ oder zusätzlich kann der Schreibkopf bewegt werden.
  • Bei dem Objekt kann es sich um einen beliebig geformten dreidimensionalen Körper handeln, insbesondere um ein Mikroobjekt. Das Objekt besteht aus dem polymerisierten Ausgangsstoff. Das Objekt hat vorzugsweise in jeder Raumrichtung eine Ausdehnung von weniger als 0,5 mm [Millimeter].
  • Das Objekt kann Strukturen mit Abmessungen in der Größenordnung von 100 nm [Nanometern] aufweisen. Bei dem Objekt handelt es sich vorzugsweise um einen photonischen Kristall, eine Mikropumpe für die Mikrofluidik, ein elektromechanisches Mikrosystem (MEMS) oder ein Produkt im Bereich der Biologie, Medizin oder Mikrooptik.
  • Die für die Zwei-Photonen-Polymerisation benötigte Laserstrahlung wird mit der monolithisch modengekoppelten Laserdiode erzeugt. Das Objekt kann Strukturen mit Abmessung in der Größenordnung von 100 nm aufweisen. Die monolithisch modengekoppelte Laserdiode ist vorzugsweise als eine monolithisch modengekoppelte Kurzpulslaserdiode, insbesondere als eine monolithisch modengekoppelte Ultrakurzpulslaserdiode ausgebildet. Die monolithisch modengekoppelte Laserdiode kann ein monolithischer Halbleiterlaser sein.
  • Monolithisch modengekoppelte Laserdioden haben im Vergleich zu einem Ti:Saphir-Laser üblicherweise eine längere Pulsdauer. So kann die monolithisch modengekoppelte Laserdiode eine Pulsdauer von mehr als 2 ps [Pikosekunden] haben. Das kann die Verfahrensdauer verlängern. Das liegt nicht an Länge der Pulse selbst, da auch eine Pikosekunde eine sehr kurze Zeitspanne ist. Vielmehr ist bei längerer Pulsdauer die Pulsspitzenintensität geringer und damit die Wahrscheinlichkeit geringer, dass es zur Zwei-Photonen-Absorption kommt. Eine Stelle muss daher länger bestrahlt werden, bis der Ausgangsstoff dort polymerisiert ist. Das bedeutet, dass der Materialwachs pro Puls kleiner ist, was eine präzisere Kontrolle des Auflösungsvermögens einzelner Struktureigenschaften des Objekts ermöglicht. Aufgrund der zu erwartenden längeren Verfahrensdauer wurden monolithisch modengekoppelte Laserdioden in der Vergangenheit als ungeeignet für die Zwei-Photonen-Polymerisation angesehen. Seit der Entwicklung monolithischer Laserdioden vor rund 30 Jahren wurden diese nicht für die Zwei-Photonen-Polymerisation eingesetzt, obwohl diese auch seit mehr als 20 Jahren etabliert ist. Erfindungsgemäß wurde aber herausgefunden, dass die kleinere Größe der monolithisch modengekoppelten Laserdiode nicht nur die unmittelbar ersichtlichen Vorteile hat. Vielmehr wurde festgestellt, dass eine monolithisch modengekoppelte Laserdiode im Schreibkopf angeordnet werden kann. Bei bekannten Vorrichtungen zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation muss die Laserquelle aufgrund ihrer Größe außerhalb des Schreibkopfes angeordnet werden. Dass dies mit einer monolithisch modengekoppelten Laserdiode möglich ist, liegt insbesondere an den entbehrlichen Mitteln zum Pumpen des Lasers.
  • Durch Integration der monolithisch modengekoppelten Laserdiode in den Schreibkopf sind auch erhebliche Teile der Optik bekannter Vorrichtungen zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation entbehrlich. So kann eine Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation erhalten werden, die hinsichtlich Größe und Masse etwa einem üblichen Papierdrucker entspricht. Beispielsweise kann eine derartige Vorrichtung ein Volumen im Bereich von Kubikzentimetern und ein Gewicht im Bereich weniger Kilogramm haben. Die Vorrichtung kann daher tragbar ausgebildet sein. Gegenüber bekannten Vorrichtungen kann eine erhebliche Kostenersparnis erzielt werden. Auch ist es durch die Integration der monolithisch modengekoppelten Laserdiode in den Schreibkopf nicht erforderlich, die Optik in einer speziellen Einhausung gemäß Laserschutzklasse anzuordnen. Der beschriebene Schreibkopf und eine entsprechende Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation können daher auch außerhalb eines speziellen Labors und nicht nur von speziell geschultem Personal genutzt werden. Es ist daher bevorzugt, dass der Schreibkopf ein Gehäuse umfasst. Die monolithisch modengekoppelte Laserdiode ist vorzugsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet. Das Mikroskopobjektiv ist vorzugsweise so am Rand des Gehäuses angeordnet, dass die Laserstrahlung das Gehäuse über das Mikroskopobjektiv verlassen kann. Das Gehäuse hat vorzugsweise in jeder Raumrichtung eine Ausdehnung von weniger als 50 cm, insbesondere von weniger als 20 cm. Insbesondere dadurch unterscheidet sich der Schreibkopf von einer vollständigen herkömmlichen Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation.
  • Darüber hinaus ist auch der Wirkungsgrad von monolithisch modengekoppelten Laserdioden größer als bei bisher für die Zwei-Photonen-Polymerisation verwendeten Lasern, insbesondere als bei mehrfach gepumpten Lasersystemen. All diese bisher nicht erkannten Vorteile der Verwendung monolithisch modengekoppelter Laserdioden gleichen den Nachteil der längeren Verfahrensdauer aus.
  • Bevorzugt hat die monolithisch modengekoppelte Laserdiode eine Pulsdauer im Bereich von 2 ps bis 10 ps [Pikosekunden]. Dies ist einerseits mit einem vergleichsweise einfachen Aufbau der monolithisch modengekoppelten Laserdiode zu erreichen. Andererseits ist mit einer derartigen Pulsdauer die Zwei-Photonen-Polymerisation mit akzeptabler Verfahrensdauer durchführbar.
  • Vorzugsweise weist der Schreibkopf eine Wärmesenke auf, um die monolithisch modengekoppelte Laserdiode zu kühlen. Weiterhin weist Schreibkopf ein Mikroskopobjektiv auf. Dieses dient dazu, die von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode erzeugte Laserstrahlung so zu fokussieren, dass es an den gewünschten Stellen des Ausgangsstoffs zur Zwei-Photonen-Polymerisation kommt. Es ist bevorzugt, dass die monolithisch modengekoppelte Laserdiode unmittelbar an dem Mikroskopobjektiv angeordnet ist. Das bedeutet, dass die von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode erzeugte Laserstrahlung in das Mikroskopobjektiv gelangt, ohne dazwischen durch ein anderes Element beeinflusst zu werden. Das ist vorteilhaft, weil jedes Element im Strahlengang die Intensität der Laserstrahlung verringern und insoweit die Prozessdauer verlängern kann. Alternativ ist es aber möglich, verschiedene Elemente in den Strahlengang zu integrieren. Nachfolgend werden dazu mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, die beliebig miteinander kombinierbar sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schreibkopf weiterhin eine Kamera und einen Strahlteiler, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlte Laserstrahlung passieren zu lassen und gegenläufige Strahlung zur Kamera abzulenken.
  • Die Kamera dient der Steuerung der Herstellung des Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation. Insbesondere dient die Kamera dazu, die Position und/oder Ausrichtung des Ausgangsstoffs zu bestimmen. Dies ist so zu verstehen, dass auch die Position des Objekts bestimmt wird, soweit dieses bereits aus dem Ausgangsstoff erhalten wurde. Diese Kenntnis kann als Rückkopplung für die Positionierung und/oder Ausrichtung des Ausgangsstoffs verwendet werden. So kann die Positionierung und/oder Ausrichtung des Ausgangsstoffs mithilfe von mit der Kamera erfassten Informationen vorgenommen werden. Insbesondere kann der Halter anhand von mit der Kamera erfassten Informationen eingestellt werden.
  • Mit der Kamera kann der Ausgangsstoff entlang des Strahlengangs erfasst werden, den auch die Laserstrahlung - jedenfalls zwischen dem Strahlteiler und dem Ausgangsstoff - nimmt. Die Kamera zeigt den Ausgangsstoff also nicht perspektivisch verzerrt, sondern genau so, wie dies für die Ausrichtung der Laserstrahlung relevant ist. Das ist aufgrund des Strahlteilers möglich. Der Strahlteiler ist so in den Strahlengang der Laserstrahlung integriert, dass die Laserstrahlung den Strahlteiler passieren kann. Das bedeutet, dass die Laserstrahlung abgesehen von unvermeidbaren Verlusten unbeeinflusst durch den Strahlteiler gelangen kann. Von dem Ausgangsstoff ausgehende Strahlung hingegen wird von dem Strahlteiler abgelenkt, gelangt also nicht in die monolithisch modengekoppelte Laserdiode. Diese Strahlung wird in Abgrenzung von der Laserstrahlung als gegenläufige Strahlung bezeichnet. Bei der gegenläufigen Strahlung handelt es sich um die Strahlung, aufgrund derer der Ausgangsstoff optisch erfassbar ist. Die gegenläufige Strahlung wird von dem Strahlteiler zur Kamera abgelenkt, so dass die Kamera die gegenläufige Strahlung erfassen kann. Der Strahlteiler ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die gegenläufige Strahlung bis auf einen unvermeidbaren Anteil vollständig zur Kamera abgelenkt wird. Als Strahlteiler ist ein dichroischer Strahlteiler bevorzugt. Der Strahlteiler ist vorzugsweise unter einem Winkel im Bereich von 30 bis 60°, insbesondere von 45° in den Strahlengang integriert. So ist es auch bei kompakter Bauweise des Schreibkopfes einfach möglich, die Kamera und die monolithisch modengekoppelte Laserdiode im Schreibkopf anzuordnen. Bei der Kamera handelt es sich vorzugsweise um eine CCD-Kamera.
  • Die gegenläufige Strahlung stammt vorzugsweise aus einer Lichtquelle, mit der der Ausgangsstoff durchleuchtet wird. Die Lichtquelle kann Teil der Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation sein. Der Halter ist vorzugsweise zwischen der Lichtquelle und dem Schreibkopf angeordnet. Die Lichtquelle ist vorzugsweise eine LED. Damit kann der Ausgangsstoff so durchleuchtet werden, dass dieser von der Kamera besonders gut erfasst werden kann. Prinzipiell ist es aber auch möglich, die Kamera mit Umgebungslicht und ohne besondere Lichtquelle zu verwenden.
  • Die Ausgestaltung mit Kamera und Strahlteiler im Schreibkopf wird durch die besonders geringe Größe der monolithisch modengekoppelten Laserdiode begünstigt. Dieser Vorteil ergibt sich also erst aus der Kombination von monolithischer Laserdiode mit der vorliegenden Ausführungsform. Die Kamera und der Strahlteiler sind vorzugsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schreibkopf weiterhin eine Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung.
  • Mit der Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung kann die Laserstrahlung in zwei Dimensionen gesteuert werden. Es genügt daher, den Ausgangsstoff und den Schreibkopf senkrecht zu diesen beiden Dimensionen relativ zueinander zu bewegen, beispielsweise mit dem Halter. Dies ist eine Bewegung des Ausgangsstoffs auf den Schreibkopf zu beziehungsweise von diesem weg. Im Vergleich zu einer dreidimensionalen Bewegung des Ausgangsstoffs ist die Verstellung der Ausrichtung der Laserstrahlung schneller. Daher ist die Verfahrensdauer in der vorliegenden Ausführungsform besonders kurz.
  • Es ist auch möglich, zusätzlich zu der Verstellung des Laserstrahls mittels der Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung den Ausgangsstoff auch in diesen beiden Dimensionen zu bewegen, beispielsweise mit dem Halter. Das Ist insbesondere bei vergleichsweise großen herzustellenden Objekten von Vorteil.
  • Die Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung ist vorzugsweise ein Galvoscanner. Dieser weist vorzugsweise mindestens einen Galvospiegel, insbesondere genau zwei Galvospiegel auf. Bei einem Galvospiegel handelt es sich um einen schnell beweglichen Spiegel, durch den die Laserstrahlung gezielt abgelenkt werden kann. Wird die Laserstrahlung über den beziehungsweise die Galvospiegel geleitet, kann Ausrichtung der Laserstrahlung durch Verstellung der Galvospiegel eingestellt werden. Dies kann sehr schnell erfolgen.
  • Die Ausgestaltung mit der im Schreibkopf integrierten Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung wird durch die besonders geringe Größe der monolithisch modengekoppelten Laserdiode begünstigt. Dieser Vorteil ergibt sich also erst aus der Kombination von monolithischer Laserdiode mit der vorliegenden Ausführungsform. Die Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung ist vorzugsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schreibkopf weiterhin eine Einrichtung zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung.
  • Um eine möglichst fehlerfreie Strukturierung des herzustellenden Objekts zu erzielen, kann die Intensität der ausgestrahlten Laserstrahlung eingestellt werden. So können beispielsweise feine Strukturen des Objekts mit einer geringeren Intensität und einer dafür umso langsameren Prozessgeschwindigkeit besonders schonend und insoweit besonders genau hergestellt werden.
  • Bei der Einrichtung zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung handelt es sich vorzugsweise um einen Graufilter. Je nach Prozessgeschwindigkeit sind dafür mechanisch angesteuerte Graufilter denkbar.. Auch kann die Intensität der Laserstrahlung an die chemische Zusammensetzung des Ausgangsstoffs angepasst werden.
  • Alternativ oder zusätzlich zu der vorliegend beschriebenen Ausführungsform kann die Intensität der Laserstrahlung auch elektronisch direkt mithilfe der monolithisch modengekoppelten Laserdiode eingestellt werden. Dies ist mit bisher für die Zwei-Photonen-Polymerisation verwendeten Lasersystemen nicht hinreichend schnell und genau möglich. Beispielsweise kann die Intensität der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode abgestrahlten Laserstrahlung durch gezielte Veränderung des Betriebspunktes der monolithisch modengekoppelten Laserdiode eingestellt werden.
  • Die Ausgestaltung mit der im Schreibkopf integrierten Einrichtung zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung wird durch die besonders geringe Größe der monolithisch modengekoppelten Laserdiode begünstigt. Dieser Vorteil ergibt sich also erst aus der Kombination von monolithischer Laserdiode mit der vorliegenden Ausführungsform. Die Einrichtung zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung ist vorzugsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet.
  • Alternativ oder zusätzlich zu der Einrichtung zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung weist der Schreibkopf vorzugsweise einen Shutter auf. Mit diesem kann die Laserstrahlung ein- und ausgeschaltet werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schreibkopf weiterhin eine Kollimationsoptik zwischen der monolithisch modengekoppelten Laserdiode und dem Mikroskopobjektiv.
  • Durch die Kollimationsoptik wird die von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode abgestrahlte Laserstrahlung kollimiert, also parallelgerichtet. Das erleichtert die gezielte Fokussierung mit dem Mikroskopobjektiv.
  • Die Ausgestaltung mit der im Schreibkopf integrierten Kollimationsoptik wird durch die besonders geringe Größe der monolithisch modengekoppelten Laserdiode begünstigt. Dieser Vorteil ergibt sich also erst aus der Kombination von monolithischer Laserdiode mit der vorliegenden Ausführungsform. Die Kollimationsoptik ist vorzugsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet.
  • Auch wenn die Elemente gemäß den vorstehenden Ausführungsformen alle zugleich verwendet werden können, ist es bevorzugt, so wenige dieser Elemente wie möglich in den Strahlengang zu integrieren. Dadurch wird die Intensität der Laserstrahlung so wenig wie möglich reduziert und die Stabilität gegenüber Vibrationen und Erschütterungen erhöht. Bevorzugt ist, dass der Schreibkopf derart modular ausgebildet ist, dass die Elemente gemäß den vorstehenden Ausführungsformen wahlweise als ein jeweiliges Modul in den Schreibkopf eingesetzt werden können. Ein solches Modul weist jeweils eine der folgenden vier Elemente beziehungsweise Kombination von Elementen auf:
    • ■ die Kamera und den Strahlteiler,
    • ■ die Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung,
    • ■ die Einrichtung zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung,
    • ■ die Kollimationsoptik.
  • Je nach Anwendungsfall können eines oder mehrere dieser Module in den Schreibkopf eingesetzt werden. Diese modulare Ausgestaltung ist nur aufgrund der geringen Größe der monolithisch modengekoppelten Laserdiode möglich. Die Module können insbesondere in das Gehäuse eingesetzt werden. Das Gehäuse weist vorzugsweise Befestigungsmittel für eines oder mehrere dieser Module auf.
  • Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:
    • ■ einen wie beschrieben ausgebildeten Schreibkopf,
    • ■ einen Halter zum Halten eines photosensitiven Ausgangsstoffs, so dass das Objekt durch mit dem Schreibkopf durch Zwei-Photonen-Polymerisation aus dem photosensitiven Ausgangsstoff hergestellt werden kann.
  • Die beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Schreibkopfes sind auf die Vorrichtung anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Der Schreibkopf ist vorzugsweise dazu bestimmt und eingerichtet, in einer wie beschrieben ausgebildeten Vorrichtung verwendet zu werden. Vorzugsweise weist die beschriebene Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens bestimmt und eingerichtet ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Schreibkopf starr angeordnet und ist der Halter zum Bewegen des Ausgangsstoffs eingerichtet.
  • Der Halter ist vorzugsweise dazu eingerichtet, den Ausgangsstoff in drei Dimensionen zu bewegen, insbesondere zu orientieren und/oder auszurichten. Insbesondere wenn eine Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung verwendet wird, genügt es aber, dass der Halter dazu eingerichtet ist, den Ausgangsstoff in einer Dimension zu bewegen. Dabei handelt es sich um die Richtung auf den Schreibkopf zu beziehungsweise von diesem weg. Der Halter kann insbesondere als ein translatorisches Achssystem mit drei Freiheitsgraden ausgebildet sein. Der Halter ist vorzugsweise piezoelektrisch steuerbar.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Lichtquelle, wobei der Halter zwischen der Lichtquelle und dem Schreibkopf angeordnet ist. Insbesondere in dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass der Schreibkopf weiterhin eine Kamera und einen Strahlteiler aufweist, wobei der Strahlteiler dazu eingerichtet und angeordnet ist, die von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlte Laserstrahlung passieren zu lassen und gegenläufige Strahlung zur Kamera abzulenken.
  • Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation vorgestellt. Das Verfahren umfasst:
    1. a) Bereitstellen eines photosensitiven Ausgangsstoffes,
    2. b) Bestrahlen des Ausgangsstoffes mit einer Laserstrahlung, so dass der photosensitive Ausgangsstoff durch Zwei-Photonen-Polymerisation lokal so polymerisiert wird, dass das Objekt aus dem Ausgangsstoff erhalten wird,
    wobei die Laserstrahlung mit einer monolithisch modengekoppelten Laserdiode erzeugt wird.
  • Die beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Schreibkopfes und der Vorrichtung sind auf das Verfahren anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Der Schreibkopf und die beschriebene Vorrichtung sind vorzugsweise zum Betrieb gemäß dem Verfahren bestimmt und eingerichtet. Das Verfahren wird vorzugsweise mit dem beschriebenen Schreibkopf und insbesondere mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt.
  • Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung einer monolithisch modengekoppelten Laserdiode zur Zwei-Photonen-Polymerisation vorgestellt.
  • Die beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Schreibkopfes, der Vorrichtung und des Verfahrens sind auf die Verwendung anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Als eine bevorzugte Ausführungsform wird eine Verwendung einer monolithisch modengekoppelten Laserdiode zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation vorgestellt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Die Figuren und die darin dargestellten Größenverhältnisse sind nur schematisch. Es zeigen:
    • 1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation,
    • 2: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation,
    • 3: eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation.
  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 12 zum Herstellen eines Objekts 2 mittels Zwei-Photonen-Polymerisation. Das Objekt 2 wird hergestellt, indem ein photosensitiver Ausgangsstoff 14 mit einer Laserstrahlung 5 bestrahlt wird. Der Ausgangsstoff 14 wird nur dort bestrahlt, wo das zu erhaltende Objekt 2 Material aufweisen soll. Durch Zwei-Photonen-Polymerisation wird der Ausgangsstoff 14 also lokal so polymerisiert, dass das Objekt 2 erhalten wird. Der nicht polymerisierte Ausgangsstoff 14 kann anschließend entfernt werden.
  • Die Vorrichtung 12 umfasst einen Schreibkopf 1 und einen Halter 13 zum Halten des photosensitiven Ausgangsstoffs 14, so dass das Objekt 2 mit dem Schreibkopf 1 durch Zwei-Photonen-Polymerisation aus dem photosensitiven Ausgangsstoff 14 hergestellt werden kann. Der Halter 13 hält zunächst den Ausgangsstoff 14. Soweit aus diesem das Objekt 2 erhalten wird, hält der Halter 13 entsprechend das Objekt 2. Der Schreibkopf 1 ist starr angeordnet. Der Halter 13 kann den Ausgangsstoff 14 beziehungsweise das daraus erhaltene Objekt 2 in die drei Raumrichtungen x, y und z bewegen. So ist es möglich, dass die Laserstrahlung 5 auf die zu polymerisierenden Stellen des Ausgangsstoffs 14 gelenkt wird. Die Laserstrahlung 5 kann den Ausgangsstoff 14 durchdringen und lediglich dort polymerisieren, wo die Laserstrahlung 5 fokussiert ist. Dadurch ist es möglich, dass ein dreidimensionales Objekt 2 aus dem Ausgangsstoff 14 erhalten wird.
  • Der Schreibkopf 1 umfasst eine monolithisch modengekoppelte Laserdiode 3 und ein Mikroskopobjektiv 4, das zur Fokussierung von mit der monolithisch modengekoppelten Laserdiode 3 erzeugter Laserstrahlung 5 eingerichtet und angeordnet ist. Die von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode 3 abgestrahlte Laserstrahlung 5 wird für die Herstellung des Objekts 2 mittels Zwei-Photonen-Polymerisation verwendet. Die Laserstrahlung 5 wird durch ein Mikroskopobjektiv 4 fokussiert. Weiterhin umfasst der Schreibkopf 1 eine Kollimationsoptik 11 zwischen der monolithisch modengekoppelten Laserdiode 3 und dem Mikroskopobjektiv 4.
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung 12 zum Herstellen eines Objekts 2 mittels Zwei-Photonen-Polymerisation. Es werden nur die Unterschiede zur Ausführungsform gemäß 1 beschrieben. Der Schreibkopf 1 umfasst eine Kamera 6 und einen Strahlteiler 7, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode 3 ausgestrahlte Laserstrahlung 5 passieren zu lassen und gegenläufige Strahlung 8 zur Kamera 6 abzulenken. Die gegenläufige Strahlung 8 wird von einer Lichtquelle 15 der Vorrichtung 12 erzeugt. Der Halter 13 ist zwischen der Lichtquelle 15 und dem Schreibkopf 1 angeordnet. Die von der Lichtquelle 15 erzeugte gegenläufige Strahlung 8 gelangt in den Schreibkopf 1 und über den Strahlteiler 7 in die Kamera 6. Die Kamera 6 kann also die Position des Ausgangsstoffs 14 beziehungsweise des daraus erhaltenen Objekts 2 entlang des Strahlengangs der Laserstrahlung 5 erfassen. Damit kann der Halter 13 besonders genau gesteuert werden. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 12 eine Einrichtung 10 zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode 3 ausgestrahlten Laserstrahlung 5.
  • 3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung 12 zum Herstellen eines Objekts 2 mittels Zwei-Photonen-Polymerisation. Es werden nur die Unterschiede zu den Ausführungsformen gemäß 1 und 2 beschrieben. So umfasst der Schreibkopf 1 eine Einrichtung 9 zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode 3 ausgestrahlten Laserstrahlung 5. Diese Einrichtung 9 ist als ein Galvoscanner mit zwei Galvospiegeln 16 ausgebildet. Durch die Galvospiegel 16 kann die Laserstrahlung 5 in x- und y-Richtung steuerbar abgelenkt werden. Es genügt daher, den Ausgangsstoff 14 beziehungsweise das daraus erhaltene Objekt 2 in z-Richtung mit dem Halter 13 zu bewegen.
  • Die Merkmale der drei Ausführungsformen gemäß den 1 bis 3 sind beliebig miteinander kombinierbar. So kann jede der drei Ausführungsformen mit und ohne die Einrichtung 9, mit und ohne die Einrichtung 10 sowie mit und ohne die Kamera 6 und den Strahlteiler 7 ausgebildet sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Schreibkopf
    2
    Objekt
    3
    monolithisch modengekoppelte Laserdiode
    4
    Mikroskopobjektiv
    5
    Laserstrahlung
    6
    Kamera
    7
    Strahlteiler
    8
    gegenläufige Strahlung
    9
    Einrichtung
    10
    Einrichtung
    11
    Kollimationsoptik
    12
    Vorrichtung
    13
    Halter
    14
    Ausgangsstoff
    15
    Lichtquelle
    16
    Galvospiegel

Claims (10)

  1. Schreibkopf (1) zum Herstellen eines Objekts (2) mittels Zwei-Photonen-Polymerisation, umfassend: ■ eine monolithisch modengekoppelte Laserdiode (3), ■ ein Mikroskopobjektiv (4), das zur Fokussierung von mit der monolithisch modengekoppelten Laserdiode (3) erzeugter Laserstrahlung (5) eingerichtet und angeordnet ist.
  2. Schreibkopf (1) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Kamera (6) und einen Strahlteiler (7), der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode (3) ausgestrahlte Laserstrahlung (5) passieren zu lassen und gegenläufige Strahlung (8) zur Kamera (6) abzulenken.
  3. Schreibkopf (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Einrichtung (9) zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode (3) ausgestrahlten Laserstrahlung (5).
  4. Schreibkopf (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Einrichtung (10) zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode (3) ausgestrahlten Laserstrahlung (5).
  5. Schreibkopf (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Kollimationsoptik (11) zwischen der monolithisch modengekoppelten Laserdiode (3) und dem Mikroskopobjektiv (4).
  6. Vorrichtung (12) zum Herstellen eines Objekts (2) mittels Zwei-Photonen-Polymerisation, umfassend: ■ einen Schreibkopf (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ■ einen Halter (13) zum Halten eines photosensitiven Ausgangsstoffs (14), so dass das Objekt (2) mit dem Schreibkopf (1) durch Zwei-Photonen-Polymerisation aus dem photosensitiven Ausgangsstoff (14) hergestellt werden kann.
  7. Vorrichtung (12) nach Anspruch 6, wobei der Schreibkopf (1) starr angeordnet ist und der Halter (13) zum Bewegen des Ausgangsstoffs (14) eingerichtet ist.
  8. Vorrichtung (12) nach Anspruch 6 oder 7, weiterhin umfassend eine Lichtquelle (15), wobei der Halter (13) zwischen der Lichtquelle (15) und dem Schreibkopf (1) angeordnet ist.
  9. Verfahren zum Herstellen eines Objekts (2) mittels Zwei-Photonen-Polymerisation, umfassend: a) Bereitstellen eines photosensitiven Ausgangsstoffes (14), b) Bestrahlen des Ausgangsstoffes (14) mit einer Laserstrahlung (5), so dass der photosensitive Ausgangsstoff (14) durch Zwei-Photonen-Polymerisation lokal so polymerisiert wird, dass das Objekt (2) aus dem Ausgangsstoff (14) erhalten wird, wobei die Laserstrahlung (5) mit einer monolithisch modengekoppelten Laserdiode (3) erzeugt wird.
  10. Verwendung einer monolithisch modengekoppelten Laserdiode (3) zur Zwei-Photonen-Polymerisation.
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