DE19823257B4 - Verfahren zur definierten dauerhaften Veränderung des Extinktionsspektrums metallpartikelhaltiger Dielektrika durch intensive Laserimpulse - Google Patents

Abstract

Verfahren zur definierten dauerhaften Veränderung der Extinktionsspektren metalipartikelhaltiger Dielektrika, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung durch Einstrahlung von ultrakurzen Impulsen intensiven polarisierten Laserlichtes mit Impulsdauern kleiner als 0,1 ns in mindestens eine durch Anregung von Oberflächenplasmonen in den Metallpartikeln verursachte Extinktionsbande bewirkt wird.

Description

• Gläser oder andere dielektrische Matrizes, die sphärische Metallpartikel mit einer Größe von ca. 1–100 nm enthalten, zeigen eine charakteristische Extinktion im ultravioletten oder sichtbaren Spektralbereich, die sich durch die Anregung kollektiver Elektronenschwingungen in den Metallpartikeln, sogenannten Oberflächenplasmonen, erklären läßt. Wenn die Partikel in verlängerter Form und rotationssymmetrisch, z. B. als Rotationsellipsoide, vorliegen, treten zwei verschiedene Extinktionsbanden auf. Dabei gehört die langwellige zur Anregung von Plasmonen, die entlang der Symmetrieachse schwingen, die kurzwellige zu solchen, die senkrecht dazu schwingen. In Systemen mit einheitlicher Orientierung der Partikel tritt bei Einstrahlung von Licht, das parallel zu einer der beiden verschieden großen Halbachsen linear polarisiert ist, jeweils nur eine der beiden Banden auf, d. h. es liegen Anisotropie und Pleochroismus vor. Maximumslage und Trennung der Banden sind von der Größe und dem Halbachsenverhältnis der Teilchen abhängig. Die Wellenlänge der Bande runder Partikel gleichen Volumens liegt zwischen diesen beiden.
• Gläser mit diesen Eigenschaften, die z. B. als farbselektive Polarisatoren verwendet werden können, konnten bisher nur dadurch hergestellt werden, daß Gläser, die zunächst runde Partikel enthalten, bei Temperaturen möglichst wenig oberhalb der Transformationstemperatur T_g des Glases einer Zugdeformation in der Weise unterworfen wurden, daß die Querschnittsform des Glases senkrecht zur Zugrichtung erhalten bleibt (vgl. z. B. Patent DE 195 02 321 ). Über den Verformungsgrad des Glases kann das für die gewünschte Färbung erforderliche Halbachsenverhältnis der Partikel eingestellt werden. Durch den Herstellungsprozeß bedingt können jedoch nur Flachgläser geringer Breite, im allgemeinen nicht breiter als 25 mm, erzeugt werden. Sie zeigen über die Fläche ein weitgehend einheitliches Extinktionsverhalten. Dieses kann nachträglich dadurch verändert werden, daß die Eigenschaft der rotationsellipsoidförmigen Metallpartikel, bei Temperaturen oberhalb T_g wieder ihrer ursprünglichen Kugelgestalt zuzustreben, ausgenutzt wird. Farbmikrostrukturierungen sind dann dadurch zu erhalten, daß unterschiedliche Stadien dieser Formrelaxation und damit verschiedene Farben durch lokal eng begrenzte unterschiedliche Wärmeeinwirkung, hervorgerufen durch Absorption von Laserstrahlung oder Elektronenstrahlung, realisiert werden.
• Der Erfindung liegt das Problem zugrunde unter Umgebung des sehr komplizierten Prozesses der speziellen Zugverformung und unter Aufhebung der damit verbundenen Einschränkung auf geringe Materialbreiten sowie bei Vereinfachung der Möglichkeit von Farb-Mikrostrukturierungen Extinktionsspektren von metallpartikelhaltigen Dielektrika definiert dauerhaft zu verändern, unter anderem auch in der Form, daß Dielektrika entstehen, die ähnliche spektrale Eigenschaften zeigen wie die durch Zugverformung hergestellten Gläser mit rotationsellipsoidförmigen Metallpartikeln einheitlicher Orientierung. Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß ein Material, das zunächst sphärische Metallpartikel enthält, mit intensiven ultrakurzen Impulsen von linear polarisiertem Laserlicht, dessen Wellenlänge im Bereich der durch Anregung von Oberflächenplasmonen hervorgerufenen Extinktionsbande liegt, bestrahlt wird, und beliebig großen Flächen durch aufeinanderfolgende Bestrahlung genügend eng benachbarter Teilflächen eine einheitliche Wirkung gege ben wird. Bei richtig angepaßter Intensität entstehen ähnliche spektrale Eigenschaften, wie sie auch durch Zugverformung erzeugt werden können, wobei die langwelliger gelegene Extinktionsbande dann zu Licht gehört, das parallel zu dem des Laserlichts polarisiert ist. Dabei ist in erster Linie die jeweils anzuwendende Intensität, aber auch die Energie und Zahl der Impulse von den Eigenschaften des eingesetzten Materials, z. B. der Partikelgröße, abhängig. Wie im Fall des durch Zugverformung von Gläsern erzeugten Pleochroismus kann auch der durch Bestrahlung mit Laserlicht hervorgerufene durch eine Wärmebehandlung bei Temperaturen oberhalb T_g wieder beseitigt werden.
• Bei Intensitäten, die unter denen liegen, durch die Pleochroismus entsteht, kann die Extinktionsbande sphärischer Partikel unter Beibehaltung der Isotropie zu langen Wellenlängen hin verschoben werden. Bei sehr kleinen Intensitäten bleiben die Extinktionsspektren unverändert. Bei Intensitäten, die über denen liegen, durch die Pleochroismus entsteht, kann die Extinktion verringert oder ganz entfernt werden. Alle diese Prozesse laufen bei Intensitäten ab, die unter der Zerstörschwelle der Glasmatrix liegen.
• Bei bereits dichroitischen Dielektrika kann durch in die langwellige Bande eingestrahltes Laserlicht, das in derselben Richtung linear polarisiert ist wie das von der langwelligen Bande absorbierte Licht, eine weitere langwellige Verschiebung erzeugt werden. Auf diese Weise ist es möglich, eine sukzessive Verschiebung bis zu einer gewünschten Bandenposition auch im NIR-Spektralbereich zu erreichen. Die ursprüngliche Bande kann dabei entweder durch vorherige Laserbestrahlung oder durch herkömmliche Zugverformung entstanden sein. Durch in die kurzwellige Bande eingestrahltes Laserlicht, das in derselben Richtung linear polarisiert ist wie das von der kurzwelligen Bande absorbierte Licht, kann auch die kurzwellige Bande in Richtung größerer Wellenlänge verschoben werden und sogar ein Zusammenfallen mit der ursprünglich langwelligeren erzwungen werden.
• Durch die oben beschriebene Behandlung von Dielektrika, insbesondere Gläsern, können farbige Polarisatoren sowie Polarisatoren für das nahe Infrarot erzeugt werden. Die Polarisatoren können auch so erzeugt werden, daß örtlich benachbarte Bereiche in unterschiedlichen Spektralbereichen polarisieren und – wenn diese im Sichtbaren liegen – mithin verschieden farbig sind. Die Abmessungen dieser Bereiche sind nach unten nur durch die Grenze der Fokussierbarkeit des eingestrahlten Laserlichtes beschränkt. Strukturen mit Abmessungen im Submikrometerbereich sind also problemlos herstellbar. Es sind auch Extinktionsspektren sehr kleiner kolloidhaltiger Objekte mit Abmessungen bis hinab in den Submikrometerbereich dauerhaft veränderbar. Die Farb-Mikrostrukturierung ermöglicht auch den Einsatz solcher Gläser als Speichermedien. Das Einschreiben von Informationen erfolgt mit intensiven ultrakurzen Impulsen von Laserlicht, das Auslesen mit geeigneten Diodenlasern und das Löschen durch Wärmebehandlung bei Temperaturen oberhalb T_g, entweder für die gesamte Speichereinheit gleichzeitig oder lokal auf einzelne bits begrenzt durch Absorption von Laserstrahlung. Dabei liegt die dazu nötige Intensität mehrere Größenordnung unterhalb der, die zum Einschreiben benötigt wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur definierten dauerhaften Veränderung der Extinktionsspektren metalipartikelhaltiger Dielektrika, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung durch Einstrahlung von ultrakurzen Impulsen intensiven polarisierten Laserlichtes mit Impulsdauern kleiner als 0,1 ns in mindestens eine durch Anregung von Oberflächenplasmonen in den Metallpartikeln verursachte Extinktionsbande bewirkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Extinktionsspektren durch aufeinanderfolgende gleichartige Bestrahlungen genügend eng benachbarter Teilflächen in solcher Weise erfolgt, dass eine einheitliche optische Wirkung beliebig großer Flächen auftritt oder dass durch verschiedenartige Bestrahlung benachbarter Bereiche, deren Abmessungen nach unten nur durch die endliche Fokussierbarkeit der Laserstrahlung begrenzt sind, ein strukturiertes Extinktionsverhalten erzeugt wird, bzw. die Extinktionsänderung an sehr kleinen Objekten vorgenommen wird, deren Abmessungen nach unten wiederum nur durch die endliche Fokussierbarkeit der Laserstrahlung begrenzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass durch Bestrahlung von Dielektrika, die sphärische Metallpartikel enthalten, mit linear polarisiertem Laserlicht passender Intensität die Eigenschaft des Pleochroismus erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass bei Dielektrika, die bereits die Eigenschaften des Pleochroismus besitzen, durch Bestrahlung mit linear polarisiertem Laserlicht, das in der langwelligen oder kurzwelligen Extinktionsbande absorbiert wird, die langwellige bzw. kurzwellige Bande in Richtung größerer Wellenlängen verschoben wird und diese Prozesse wiederholt werden können bis die sukzessive Verschiebung der Banden zur gewünschten Wellenlängenposition geführt hat.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass bei Dielektrika durch Einstrahlung von Laserlicht geeigneter Intensität in die durch Anregung von Oberflächenplasmonen in sphärischen Metallpartikeln verursachte Extinktionsbande diese nach größeren Wellenlängen verschoben wird, ohne dass das isotrope Extinktionsverhalten verloren geht.