DE4424236A1 - Verfahren zur Strukturierung der Oberfläche eines aus einem Polymer bestehenden Körpers und nach dem Verfahren hergestellte Anordnungen - Google Patents

Verfahren zur Strukturierung der Oberfläche eines aus einem Polymer bestehenden Körpers und nach dem Verfahren hergestellte Anordnungen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strukturierung der Oberfläche eines aus einem Polymer bestehenden Körpers, vorzugsweise einer Platte.
Auf zahlreichen technischen Gebieten, beispielsweise zur Bildspeicherung, Bildverarbeitung, Sensorik und bei der optischen Wellenleitung, werden optisch wirksame Strukturen benötigt, deren Abmessungen in der Größenordnung von Lichtwellenlängen liegen. Bei vielen Anwendungen dieser Strukturen ist ferner eine genaue Einhaltung vorgegebener Maße erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung derartiger optisch wirksamer Strukturen vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Einwirkung einer ionisierenden Strahlung auf zu vertiefende Teile der Oberfläche gelöst. Dabei kann vorgesehen sein, daß die Strahlung über eine die jeweilige Struktur darstellende Maske auf die Oberfläche einwirkt oder daß die Strahlung in Form eines auf die Oberfläche fokussierten Strahls einwirkt, der entsprechend der zu erzielenden Struktur abgelenkt und/oder intensitätsmoduliert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in den von der ionisierenden Strahlung betroffenen Oberflächenschichten chemische Bindungen in gezielter Form zerbrochen, woraus sich ein Entweichen der Bruchstücke und ein Zusammensinken (Kompaktierung) der restlichen Molekülteile ergibt. Dabei können die kompaktierten Bereiche als Wellenleiter verwendet werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren sind verschiedene Polymere geeignet. Erfolgreiche Versuche wurden mit Polymethyl-Methacrylat durchgeführt.
Während an sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verschiedenartige ionisierende Strahlungen geeignet sind, hat sich die Verwendung von ultravioletter Strahlung als besonders günstig herausgestellt. Dieses ist besonders vorteilhaft, da im Gegensatz zu anderer Strahlung - wie beispielsweise mittelschnelle Ionen - die Erzeugung eines Vakuums nicht erforderlich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Wellenlänge der ultravioletten Strahlung kleiner als 280 nm ist. Vorzugsweise liegt die Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 280 nm.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die für die meisten Anwendungsfälle angestrebten Abmessungen der Strukturen durch eine leicht realisierbare Bestrahlungsdosis erreicht werden.
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, daß die Tiefe der herzustellenden Struktur durch die Dosis (Intensität, Einwirkungszeit) der Strahlung gesteuert wird.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß auf die Oberfläche einer vorzugsweise kreisscheibenförmig ausgebildeten Platte zu Zwecken der Speicherung von Signalen mit dem Strahl Spuren geschrieben werden und daß der Strahl mit den aufzuzeichnenden Signalen moduliert wird. Hierdurch kann eine optische Signalspeicherplatte hergestellt werden, die ähnlich wie die weit verbreiteten "Compact-Discs" optisch abgetastet werden kann.
Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß auf der Oberfläche in regelmäßigen Abständen ein Beugungsgitter darstellende streifenförmige Vertiefungen hergestellt werden. Durch dieses Verfahren entsteht ein Phasengitter, das für verschiedene Anwendungen, beispielsweise zur Spektralanalyse, geeignet ist und einen wesentlich höheren Beugungswirkungsgrad hat als ein Amplitudengitter, das aus abwechselnd lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Streifen besteht.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Vertiefungen Phasenhologramme darstellen. Die somit hergestellten Phasenhologramme können in an sich bekannter Weise zur Speicherung von Bildern verwendet werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß mit der Strahlung Strukturen erzeugt werden, die eine Mikrolinse darstellen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Mikrolinsen können vorzugsweise als Fresnelsche Zonenplatten ausgebildet sein und besonders vorteilhaft bei der optischen Nachrichtenübertragung verwendet werden.
Durch die in weiteren Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte mit dem im Hauptanspruch angegebenen Verfahren hergestellte Erzeugnisse möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 eine ebenfalls schematische Darstellung einer Polymerplatte mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren strukturierten Oberfläche,
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vertiefung,
Fig. 4 einen Ausschnitt aus einem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Phasengitter,
Fig. 5 ein Diagramm zur Abhängigkeit der Tiefe der Struktur von der Bestrahlungszeit,
Fig. 6 einen unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten optischen Verzweiger und
Fig. 7 die Anwendung einer erfindungsgemäß hergestellten Struktur zur optischen Kopplung eines auf einem Substrat befindlichen Lichtleiters mit einer Lichtleitfaser.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren liegt auf einem aus einem Polymer bestehenden Substrat 1 eine Maske 2, die beispielsweise von einer auf einer Quarzglasscheibe 3 aufgebrachten Chromschicht 4 gebildet wird. An denjenigen Stellen, an denen in der Oberfläche des Substrats 1 Vertiefungen erzeugt werden sollen, weist die Chromschicht 4 Aussparungen 5 auf. An diesen Stellen wird die Oberfläche des Substrats einer UV-Strahlung 6 ausgesetzt. Dadurch werden die Moleküle des Substrats aufgebrochen, wobei kleinere Bruchstücke in Form von Gasen entweichen und die restlichen Moleküle zusammenfallen.
Dieser Prozeß ist von der jeweils angewandten Bestrahlungsdosis abhängig und kann beispielsweise bei konstanter Intensität über die Bestrahlungsdauer gesteuert werden. Das Ergebnis des im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Verfahrens ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Es lassen sich Vertiefungen 7 mit einer Tiefe zwischen 0 µm und 1,5 µm und mit lateralen Abmessungen bis herab zu 1 µm bis 2 µm bei einer Genauigkeit von ±30 nm herstellen.
An den Rändern der Vertiefungen 7 ergeben sich jedoch Grenzeffekte, die in der vereinfachten Darstellung nach Fig. 2 nicht sichtbar sind. Fig. 3 zeigt eine Vertiefung 11, deren Breite nicht wesentlich größer als die Tiefe d ist. In den Grenzbereichen zwischen den bestrahlten und den unbestrahlten Teilen des Substrats ergibt sich ein allmählicher Übergang, so daß die Ränder der Vertiefungen eine abgerundete Form aufweisen. Bei einer Breite der Vertiefung, welche die Tiefe d nicht wesentlich überschreitet (wie in Fig. 3 dargestellt), ergibt sich dann eine insgesamt gerundete Vertiefung. Dieses kann jedoch in geschickter Weise für verschiedene Anwendungen ausgenutzt werden, beispielsweise bei der Signalaufzeichnung, wenn ein unterschiedliches Reflexionsvermögen zwischen vertieften und nicht vertieften Teilen der Oberfläche gewünscht wird.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Phasengitter, wobei die vertieften Streifen 12 durch eine teilweise Schraffur gegenüber den dazwischenliegenden unbehandelten Teilen 13 der Oberfläche hervorgehoben sind. In an sich bekannter Weise ist der Dickenunterschied zwischen der Platte an den vertieften Stellen 12 und an den nicht vertieften Stellen 13 maßgebend für die zu erzielende Beugung in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Dieser Effekt wird dadurch unterstützt, daß unter den Vertiefungen 12 kompaktierte Bereiche mit einem höheren Brechungsindex liegen.
Fig. 5 zeigt die Zeitabhängigkeit der Tiefe d (Fig. 3) von der Bestrahlungszeit t bei einer vorgegebenen Strahlungsintensität. Aus Fig. 5 geht hervor, daß nach einem im wesentlichen linearen Bereich bei einer Bestrahlungszeit zwischen 0 und etwa 280 Minuten eine Sättigung auftritt, bei der die Tiefe einem Grenzwert von 1,4 µm zustrebt.
Fig. 6 zeigt eine unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbare optische Anordnung, die als Verzweiger und Umschalter für optische Signale dient. Die zu verzweigenden optischen Signale werden in einem Lichtwellenleiter 21 auf einem Substrat 22 zugeführt, was durch einen Pfeil angedeutet ist. Ausgangsseitig sind parallel drei Träger 23, 24, 25 vorgesehen, auf denen jeweils zwei Lichtwellenleiter 26 bis 31 angeordnet sind. Zwischen der Lichtaustrittsfläche des Lichtwellenleiters 21 und den Lichteintrittsflächen der Lichtwellenleiter 26 bis 31 sind zwei weitere Träger 32, 33 mit einer fresnelschen Zonenplatte 34 und mit zwei fresnelschen Zonenplatten 35, 36 angeordnet. Das aus der Lichtaustrittsfläche des Lichtwellenleiters 21 austretende Licht wird durch die fresnelsche Zonenplatte 34 zu einem telezentrischen Strahlengang 37 gebündelt. Die Zonenplatten 35, 36 sind kleiner als die Zonenplatte 34 und dicht beieinander angeordnet, so daß sich das Lichtbündel 37 auf beide Zonenplatten 35, 36 verteilt. Diese fokussieren das Licht auf die Eintrittsflächen der Lichtwellenleiter 28, 29, von wo aus es in Pfeilrichtung weitergeleitet werden kann. Damit ist ein für verschiedene Zwecke brauchbarer Verzweiger angegeben.
Durch eine geeignete Bewegung der Träger 23 bis 25 oder des Trägers 33 kann der Verzweiger ferner als Umschalter verwendet werden. So kann beispielsweise das aus den Trägern 23 bis 25 bestehende Paket um jeweils einen Abstand zwischen den Trägern in Richtung der Z-Achse verschoben werden. Es ist auch eine Kippbewegung des Trägers 33 um die X-Achse oder eine lineare Bewegung in Richtung der Z-Achse möglich, um das Licht auf die Lichtwellenleiter eines anderen Trägers zu leiten.
Durch Anordnung einer größeren Anzahl von Lichtwellenleitern auf einem Träger, als Zonenplatten auf den Träger 33 vorhanden sind, können weitere Umschaltmöglichkeiten geschaffen werden, beispielsweise durch Schiebung der Träger 23 bis 25 oder des Trägers 33 in Richtung der X-Achse oder Kippen des Trägers 33 um die Z-Achse.
Eine weitere Abwandlung der in Fig. 6 dargestellten Anordnung kann beispielsweise darin bestehen, daß nur eine Zonenplatte auf dem Träger 33 vorgesehen ist, deren Größe der Zonenplatte 34 entspricht, wobei durch die im Zusammenhang mit Fig. 6 dargestellten Bewegungsmöglichkeiten ein Umschalter ohne Verzweigerfunktion erfolgt. Eine Umkehrung der Flußrichtung des Lichts ist ebenfalls möglich, so daß eine Anordnung zum Zusammenfassen gebildet wird.
Fig. 7 zeigt eine ebenfalls unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbare Koppeleinrichtung zwischen einem Lichtwellenleiter 41 auf einen Träger 42 (Chip) und einer Lichtleitfaser 43. Dazu wird auf dem Träger 42 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Zonenplatte aufgebracht, die als Sammellinse das aus dem Lichtwellenleiter 41 austretende Licht in die Lichtleitfaser 43 konzentriert.

Claims (19)

1. Verfahren zur Strukturierung der Oberfläche eines aus einem Polymer bestehenden Körpers, vorzugsweise einer Platte, gekennzeichnet durch die Einwirkung einer ionisierenden Strahlung auf zu vertiefende Teile der Oberfläche.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung über eine die jeweilige Struktur darstellende Maske auf die Oberfläche einwirkt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung in Form eines auf die Oberfläche fokussierten Strahls einwirkt, der entsprechend der zu erzielenden Struktur abgelenkt und/oder intensitätsmoduliert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ionisierende Strahlung eine ultraviolette Strahlung ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der ultravioletten Strahlung kleiner als 280 nm ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 280 nm liegt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der herzustellenden Struktur durch die Dosis (Intensität, Einwirkungszeit) der Strahlung gesteuert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche einer vorzugsweise kreisscheibenförmig ausgebildeten Platte zu Zwecken der Speicherung von Signalen mit dem Strahl Spuren geschrieben werden und daß der Strahl mit den aufzuzeichnenden Signalen moduliert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche in regelmäßigen Abständen ein Beugungsgitter darstellende streifenförmige Vertiefungen hergestellt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen Phasenhologramme darstellen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Strahlung Strukturen erzeugt werden, die eine Mikrolinse darstellen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Informationsträgers mit einer entsprechend der gespeicherten Information strukturierten Oberfläche auf einem Informationsträger aus einem Polymer die Strukturen von Vertiefungen gebildet werden, unter denen das Polymer gegenüber den nicht vertieften Teilen der Oberfläche kompaktiert ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Beugungsgitters streifenförmige Vertiefungen, unter denen das Polymer gegenüber den nicht vertieften Teilen der Oberfläche kompaktiert ist, auf einen plattenförmigen Träger aus Polymer aufgebracht werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer fresnelschen Zonenplatte auf einer Scheibe aus Polymer mehrere verschieden große im wesentlichen geschlossene, vorzugsweise konzentrische kreisförmige Vertiefungen, unter denen das Polymer gegenüber den nicht vertieften Teilen der Oberfläche kompaktiert ist, aufgebracht werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer optischen Anordnung zur Verzweigung oder Zusammenfassung von in Lichtwellenleitern geführten Lichtwellen Stirnflächen der Lichtwellenleiter, die als Lichteintritts- oder Lichtaustrittsflächen dienen, jeweils fresnelsche Zonenplatten gegenübergestellt werden, die das aus den Lichtaustrittsflächen divergierend austretende Licht bündeln und das in die Lichteintrittsflächen eintretende Licht fokussieren, daß auf einer Seite der optischen Anordnung die Stirnfläche eines Lichtwellenleiters und auf der anderen Seite der optischen Anordnung in im wesentlichen einer Ebene Stirnflächen mehrerer Lichtwellenleiter angeordnet werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß den mehreren Stirnflächen mehrere Zonenplatten gegenübergestellt werden, die auf Grund ihrer Größe und ihres Abstandes untereinander von dem durch die der einen Stirnfläche gegenüberstehenden Zonenplatte bestimmten Lichtbündel erfaßt werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine den mehreren Stirnflächen gegenüberstehende Zonenplatte beweglich gelagert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine bewegliche Zonenplatte mit Hilfe einer piezoelektrischen Einrichtung kippbar angeordnet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur optischen Kopplung einer Lichtleitfaser mit einem auf einem Träger angeordneten Lichtwellenleiter auf dem Träger ferner eine fresnelsche Zonenplatte als Sammellinse zwischen gegenüberstehenden Stirnflächen des Lichtwellenleiters und der Lichtleitfaser angeordnet wird.
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