EP2162781A1 - Optische anordnung und ihre verwendung - Google Patents

Optische anordnung und ihre verwendung

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Publication number
EP2162781A1
EP2162781A1 EP08773396A EP08773396A EP2162781A1 EP 2162781 A1 EP2162781 A1 EP 2162781A1 EP 08773396 A EP08773396 A EP 08773396A EP 08773396 A EP08773396 A EP 08773396A EP 2162781 A1 EP2162781 A1 EP 2162781A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser beam
optical arrangement
laser
amplitude mask
arrangement according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08773396A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexandra Ledermann
Georg Von Freymann
Martin Wegener
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP2162781A1 publication Critical patent/EP2162781A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/0988—Diaphragms, spatial filters, masks for removing or filtering a part of the beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/066—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms by using masks

Definitions

  • the invention relates to an optical arrangement and its use.
  • Focused laser beams are used for local treatment or processing of materials. Particularly important for the processing of a material in this context is the spatial distribution of the light intensity at the focal point (focus) of the laser beam. This spatial distribution can be described by isointensity surfaces, also referred to as isophotes. The shape and size of the isophotes are determined by the focusing optics and the optical refractive indices of the materials to be exposed and usually have the shape of ellipsoids of revolution whose longest axis in the axial direction with respect to the beam path of the laser beam.
  • the light intensity within a small volume at the focal point of the laser beam may exceed the material-specific threshold for multiphoton absorption.
  • the volume within which this absorption takes place is determined by the course of the isophotes. The local absorption in this volume can cause physical or chemical changes, e.g. in the case of exposure of photoresists, results in selective chemical solubility in subsequent treatment steps.
  • US 2006/0171846 A1, US 2005/0046818 A1 and US Pat. No. 6,618,174 B2 each describe optical arrangements using a laser as spatial filters, wherein an amplitude mask is introduced in the beam path of the laser beam emerging from the laser between the laser and a focusing element in that the laser beam is first focused in the focusing element before subsequently applying the amplitude mask, whereby the amplitude mask is not located in the collimated beam emanating from the laser.
  • DE 10 2004 013 886 A1 discloses an optical arrangement with a laser used as a projection mask, wherein an amplitude mask is also introduced between the laser and a focusing element in the beam path of the laser beam emerging from the laser so that the laser beam first focuses in the focusing element before applying the amplitude mask, so that the amplitude mask is not in the collimated beam emanating from the laser.
  • 10 2005 009 188 A1 describes an optical arrangement with a laser, wherein in the beam path of the laser beam emerging from the laser Beam is introduced between the laser and a focusing element, a first amplitude mask, which is first acted upon by the laser beam.
  • the first amplitude mask serves to influence the amplitude of the beam profile at a beam splitter, wherein the beam splitter may have an annular configuration which is chosen such that the losses in the fluorescence detection are as small as possible.
  • a second amplitude mask is used to make an additional spatial filtering about the suppression of disturbing diffraction orders also at the beam splitter.
  • an optical arrangement is to be provided, which makes it possible that in the isophotes in an exposed material no spatial direction is excellent, so that the isophotes are formed as spherical as possible.
  • An inventive arrangement comprises a laser, and in the beam path of the laser light emerging from the laser, there are an amplitude mask and a focusing element, wherein the arrangement is configured such that the laser beam initially applied to the amplitude mask before it then focuses in the focusing element becomes.
  • the amplitude mask is arranged concentrically to the optical axis of the laser beam.
  • the amplitude mask is preferably constructed such that it has at least one region of preferably one, two, three or more rings which are concentric about the axis of the amplitude. mask are arranged owns.
  • Transmission within the area is less than the transmission of the areas on the amplitude mask which are outside the area. This condition is disregarded for those regions of the amplitude mask which are located as an edge outside the area of the amplitude mask which can be acted upon by the laser beam.
  • the intensity of the transmitted through the amplitude mask light can thus be varied continuously between 0% and 100% of the incident light locally.
  • the optical arrangement includes an amplitude disc, wherein the one or more rings each have a transmission of 0% to 60% and the areas on the amplitude mask outside of the ring or rings have a transmission between 80% and 100%.
  • the optical arrangement contains exactly one ring, which has a transmission of 0% to 60%, an inner opening angle ⁇ i of 1 ° to 25 ° and an outer opening angle ⁇ a of 60 ° to a dependent on the size of the amplitude disc possesses possible maximum opening angle.
  • the aperture angles characterize the amplitude mask with respect to the entrance pupil of the focusing element used and the aperture angle ⁇ , each viewed from the focus.
  • the listed parameters for the amplitude mask of exactly one ring are designed so that the axial elongation of the isophotons is significantly reduced in comparison to the lateral extent, but at the same time the intensity in the occurring secondary maxima of the isophotes compared to the main maximum is kept low and simultaneously the decrease of the absolute intensity of the main maximum compared to the intensity without amplitude mask is kept as low as possible.
  • amplitude masks consisting of several rings, decreases the axial extent of the isophotons in comparison to the lateral extent even further and the intensity in the secondary maxima of the isophotes relative to the main maximum, depending on the choice of parameters, can be significantly increased.
  • amplitude masks do not serve to improve the resolution during the passive collection of light, but rather to adjust the intensity distribution in the focus for active processing of materials by means of laser light. Compared to microscopy, the light path is reversed, so to speak.
  • the amplitude mask comprises a glass substrate to which the ring or rings in the form of a metal film, preferably gold on chromium as an adhesive layer, are applied, whereby the transmission in the metallic regions can be adjusted.
  • the metal film has a thickness of 1/100 to 1/20 of the wavelength of the laser beam. Therefore, for the range of visible light (400 nm to 800 nm), layer thicknesses between 4 nm and 40 nm are preferred.
  • an amplitude masks differs from a phase mask, which does not modify the amplitude, but the phase of a light beam acting on it.
  • transparent materials having layer thicknesses between 1/10 and 1/2 the wavelength of the laser beam, i. between 40 nm and 400 nm for visible light.
  • Amplitude masks are moreover preferable to phase masks, which would also be conceivable for manipulating the isophotas, since in the case of the amplitude masks the phase is still available as a free and independent parameter for occurring spherical aberrations, chromatic aberrations or other lens defects, the extent of which depends in part on how deep the material lies in the focus, in addition, if necessary, using other optical components, compensate.
  • the arrangement according to the invention finds use for modifying the spatial intensity distribution in the focus or a secondary maximum of the laser beam in a material, preferably in a photosensitive material, which is acted upon by the laser beam. In particular, this arrangement is thus suitable for producing chemical or physical changes, ablations, micro-explosions, plasmas or microcracks in the material.
  • organic or inorganic photoresists are organic or inorganic photoresists, glass, single-pane safety glass (ESG), laminated safety glass (VSG), acrylic glass (PMMA), ceramic glass, sapphire or polycarbonate (PC).
  • ESG single-pane safety glass
  • VSG laminated safety glass
  • PMMA acrylic glass
  • PC polycarbonate
  • the arrangement according to the invention is used to carry out single or multiphoton absorption in the focus or a secondary maximum of the laser beam within the material.
  • the laser is focused on one or more interfaces of adjacent materials within the material, whereby the inventive arrangement in the context of laser welding for connecting two or more interfaces, which are in focus or in a secondary maximum of the laser beam used.
  • the arrangement according to the invention is used for direct laser writing.
  • the incorporation according to the invention of amplitude masks into the beam path immediately in front of the focusing element (objective) reduces the axial elongation in relation to the lateral extent of the isophotes in the material and in this way brings the shape of the isophotons closer to the ideal of ball symmetry .
  • the use of amplitude masks designed especially for this purpose permits shaping and amplification of the secondary maxima of the isophotes, by means of which additional regions in the photosensitive material are additionally exposed simultaneously to the focal point as the main maximum.
  • z. B. a spatially separated MuItiphotonen polymerization within an exposure step possible.
  • optical arrangement according to the invention as a beam source can be part of an optical tweezers.
  • optical arrangement according to the invention is used in medical technology, for.
  • An amplitude mask for an arrangement according to the invention can be produced by the following method.
  • a suitable for the wavelength of the laser light used transparent substrate in particular made of glass, is provided.
  • a material preferably photoresist, is applied as a planar negative mask.
  • a thin layer whose local extinction is infinitely variable between 0% and 100% at the wavelength of the laser light used is vapor-deposited on the mask.
  • the local extinction results as the product of the extinctions of the individual vapor deposited layers.
  • Suitable materials for the layers are both absorbent and reflective materials, in particular metal films.
  • FIG. 6 shows sections through structures produced by means of direct laser writing without (a) or with (b) amplitude mask
  • Fig. Ia shows schematically the structure of an inventive arrangement 10 and its use for modifying the spatial intensity distribution of a focused laser beam in a photosensitive material 5. From a laser 1 exits a laser beam 2, in the beam path between the laser 1 and a focus - The element 4 is an amplitude mask 3.
  • the laser beam 2 'modified by the focussing element 4 forms a focal point (focus) 6 within a photosensitive material 5 and, depending on the characteristics of the amplitude mask 3 and the focussing element used. ment 4, in addition also two or possibly several secondary maxima 7,
  • FIG. 1 b schematically illustrates a concentrically constructed amplitude mask 3 which has a single ring 31.
  • a first region 30 around which the single ring 31 is arranged.
  • a further region 32 which, just like the region 30, has a higher transmission for the laser radiation compared to the transmission of the ring 31.
  • the edge 39 of the amplitude mask 3, which is located outside the laser beam 2 has an arbitrary value for the transmission between 0% and 100%.
  • Fig. Ic shows a further schematic representation of the concentric constructed amplitude mask 3 with a single ring 31 of Fig. Ib).
  • the inner opening angle ⁇ i and the outer opening angle ⁇ a characterize the amplitude mask 3 with respect to the entrance pupil of the inserted focusing element 4 and the opening angle ⁇ .
  • FIG. 2 shows a schematic of a possible method for producing an amplitude mask 3.
  • FIG. 2 a) shows the provision of a transparent substrate 300 suitable for the wavelength of the laser light used, to which a first layer 301 made of a material, preferably photoresist, has been applied according to FIG. 2 b) and then according to FIG. 2 c) a planar negative mask the amplitude mask 3 to be realized was produced.
  • FIG. 2 d shows how a thin second layer 302 of chromium, which serves as adhesion promoter, and gold, whose local extinction is infinitely variable between 0% and 100% at the wavelength of the laser light used, are subsequently applied to the mask 301 was evaporated.
  • the second layer 302 After detaching the first layer 301 (mask) applied to the substrate 300 according to FIG. 2c), as shown in FIG. 2e), the second layer 302 remained as a positive on the sub-layer. strat 300 left. This positive represents the amplitude mask 3.
  • a first amplitude mask according to the invention
  • the profile of the isophotes at the focal point is significantly more spherical in comparison to FIG. 3.
  • the resulting isophotes in the minor maximum allow the simultaneous exposure of three areas within the photosensitive material.
  • FIG. 6 shows sections through structures produced by means of direct laser writing without the arrangement according to the invention (FIG. 6a) or with the arrangement 10 according to the invention (FIG. 6b).
  • the transmission of ring 31 was 10% ⁇ 1%, which indicates the transmission through the area of the metallized glass substrate relative to the transmission through the surrounding glass substrate.
  • the structure in Fig. 6a) was made by means of a simple focused laser beam without amplitude mask.
  • an amplitude mask 3 was used according to the invention, which was introduced into the laser beam 2 directly in front of the microscope objective as a focusing element 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung (10) mit einem Laser (1), wobei im Strahlengang des aus dem Laser (1) austretenden Laserstrahls (2) zwischen dem Laser (1) und einem f okussierenden Element (4) derart eine Amplitudenmaske (3) eingebracht ist, dass der Laserstrahl (2) so führbar ist, dass die Beaufschlagung der Amplitudenmaske (3) durch den Laserstrahl (2) vor der Fokussierung des Laserstrahls im f okussierenden Element (4) erfolgt, und der durch das fokussierende Element (4) modifizierte Laserstrahl (2') auf einen Brennpunkt (6) und ggf. mindestens zwei Nebenmaxima (7, 7') innerhalb eines photosensitiven Materials (5) gerichtet ist. Damit eignet sich die Anordnung (10) zur Erzeugung von chemischen oder physikalischen Veränderungen, Ablationen, Mikroexplosionen, Plasmen oder Mikrorissen im photosensitiven Material (5). Bevorzugt wird die Anordnung (10) zur Durchführung von Ein- oder Mehrphotonen- Absorption im Brennpunkt (6) oder in einem der mindestens zwei Nebenmaxima (7, 7') des modifizierte Laserstrahls (2') innerhalb des photosensitiven Materials (5) verwendet.

Description

Optische Anordnung und ihre Verwendung
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung und ihre Verwendung.
Fokussierte Laserstrahlen dienen zur lokalen Behandlung bzw. Bearbeitung von Materialien. Besonders wichtig für die Bearbeitung eines Materials ist in diesem Zusammenhang die räumliche Verteilung der Lichtintensität im Brennpunkt (Fokus) des Laserstrahls. Diese räumliche Verteilung kann durch Isointensitäts-Oberflachen, auch als J- sophoten bezeichnet, beschrieben werden. Form und Größe der Isophoten werden durch die fokussierenden Optiken sowie die optischen Brechzahlen der zu belichtenden Materialien bestimmt und besitzen üblicherweise die Form von Rotationsellipsoiden, deren längste Achse in axiale Richtung in Bezug auf den Strahlengang des Laserstrahls zeigt.
Wird ein Laserstrahl auf das Innere eines für die eingesetzte Wellenlänge transparenten Materials fokussiert, so kann die Lichtintensität innerhalb eines kleinen Volumens im Brennpunkt des Laserstrahls die materialspezifische Schwelle für Multiphotonen-Absorption überschreiten. Das Volumen, innerhalb dessen diese Absorption stattfindet, ist durch den Verlauf der Isophoten bestimmt. Die lokale Absorption in diesem Volumen kann physikalische oder chemische Veränderungen hervorrufen, die z.B. im Fall der Belichtung von Photolacken eine selektive chemische Löslichkeit in nachfolgenden Behandlungsschritten zur Folge hat .
Aus S. Kawata, H. -B. Sun, T. Tanaka und K. Takada, Nature 412, S. 6976-698 (2001) ist das so genannte direkte Laserschreiben bekannt. Hierbei wird ein photosensitives Material mittels eines Lasers belichtet, dessen Frequenz unterhalb der Einphotonen- Polymerisationsschwelle des photosensitiven Materials liegt. Wird dieser Laser auf das Innere des Materials fokussiert, kann im Brennpunkt die Lichtintensität innerhalb eines kleinen Volumens, das durch Isophoten bestimmt ist, die Schwelle für MuItiphotonen-Polymerisation überschreiten. Auch hier hat dieses Volumen in der Regel die Form ei- nes Rotationsellipsoids, dessen längste Achse in axiale Richtung zeigt. Durch diese Art der Belichtung findet eine physikalische bzw. chemische Veränderung des dem Laserstrahl ausgesetzten Materials statt.
M. Martϊnez-Corral , C. Ibäήez-Lopez, G. Saavedra und M. T. Caballero, Optics Express, 11, S. 1740-45 (2003) und C. Ibäftez-Lόpez , G. Saavedra, G. Boyer und M. Martϊnez-Corral, Optics Express, 13, S. 6168- 6174 (2005) beschreiben Amplitudenmasken, die einen Ring mit einer geringeren Transmission als die ihn umgebenden Bereiche aufweisen, für den Einsatz in der Mikroskopie, insbesondere der 2-Photonen- Rastermikroskopie, der Fluoreszenzmikroskopie und der Konfokalmikroskopie. Hierbei dienen die Amplitudenmasken zur Auflösungsverbesserung beim passiven Aufsammeln von Licht.
Die US 2006/0171846 Al, US 2005/0046818 Al und US 6 618 174 B2 beschreiben jeweils als räumliche Filter dienende optische Anordnungen mit einem Laser, wobei im Strahlengang des aus dem Laser austretenden Laserstrahls zwischen dem Laser und einem fokussierenden Element derart eine Amplitudenmaske eingebracht ist, dass der Laserstrahl zunächst im fokussierenden Element fokussiert wird, bevor er anschließend die Amplitudenmaske beaufschlagt, womit sich die Amplitudenmaske nicht im aus dem Laser ausgehenden kollimierten Strahl befindet.
Die DE 10 2004 013 886 Al offenbart eine als Projektionsmaske eingesetzte optische Anordnung mit einem Laser, wobei auch hier im Strahlengang des aus dem Laser austretenden Laserstrahls zwischen dem Laser und einem fokussierenden Element eine Amplitudenmaske so eingebracht ist, dass der Laserstrahl zunächst im fokussierenden Element fokussiert wird, bevor er die Amplitudenmaske beaufschlagt, womit sich die Amplitudenmaske nicht im aus dem Laser ausgehenden kollimierten Strahl befindet.
Die 10 2005 009 188 Al beschreibt eine optische Anordnung mit einem Laser, wobei im Strahlengang des aus dem Laser austretenden Laser- Strahls zwischen dem Laser und einem fokussierenden Element eine erste Amplitudenmaske eingebracht ist, die zunächst vom Laserstrahl beaufschlagt wird. Die erste Amplitudenmaske dient dazu, um die Amplitude des Strahlprofils an einem Strahlteiler zu beeinflussen, wobei der Strahlteiler eine ringförmige Ausgestaltung aufweisen kann, die so gewählt ist, dass die Verluste bei der Fluoreszenzdetektion möglichst gering sind. Weiterhin wird eine zweite Amplitudenmaske eingesetzt, um eine zusätzliche Raumfilterung etwa zur Unterdrückung von störenden Beugungsordnungen ebenfalls am Strahlteiler vorzunehmen.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Anordnung und ihre Verwendung vorzuschlagen, die die vorher genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen. Insbesondere soll eine optische Anordnung bereitgestellt werden, die es ermöglicht, dass in den Isophoten in einem belichteten Material keine Raumrichtung ausgezeichnet ist, so dass die Isophoten möglichst sphärisch ausgebildet sind.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die optische Anordnung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und im Hinblick auf ihre Verwendung durch die Ansprüche 8 und 12 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen Laser, und im Strahlengang des Laserlichts, das aus dem Laser austritt, befinden sich eine Amplitudenmaske und ein fokussierendes Element, wobei die Anordnung derart ausgestaltet ist, dass der Laserstrahl zunächst die Amplitudenmaske beaufschlagt, bevor er anschließend im fokussierenden Element fokussiert wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Amplitudenmaske konzentrisch zur optischen Achse des Laserstrahls angeordnet .
Die Amplitudenmaske ist erfindungsgemäß vorzugsweise so aufgebaut, dass sie mindestens ein Gebiet aus vorzugsweise einem, zwei, drei o- der auch mehren Ringen, die konzentrisch um die Achse der Amplituden- maske angeordnet sind, besitzt. Hierbei ist entscheidend, dass die
Transmission innerhalb des Gebiets geringer ist als die Transmission der Bereiche auf der Amplitudenmaske, die außerhalb des Gebiets liegen. Von dieser Bedingung wird für diejenigen Bereiche der Amplitudenmaske abgesehen, die sich als Rand außerhalb der vom Laserstrahl beaufschlagbaren Fläche der Amplitudenmaske befinden. Die Intensität des durch die Amplitudenmaske transmittierten Lichts kann somit stufenlos lokal zwischen 0 % und 100 % des einfallenden Lichts variiert werden.
In einer besonderen Ausgestaltung enthält die optische Anordnung eine Amplitudenscheibe, worin der oder die Ringe jeweils eine Transmission von 0 % bis 60 % und die Bereiche auf der Amplitudenmaske außerhalb des oder der Ringe eine Transmission zwischen 80 % und 100 % aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung enthält die optische Anordnung genau einen Ring, der eine Transmission von 0 % bis 60 %, einen inneren Öffnungswinkel Θi von 1° bis 25° und einen äußeren Öffnungswinkel Θa von 60° bis zu einem von der Größe der Amplitudenscheibe abhängenden möglichen maximalen Öffnungswinkel besitzt. Die Öffnungswinkel charakterisieren die Amplitudenmaske in Bezug auf die Eintrittspupille des eingesetzten fokussierenden Elements und dem Öffnungswinkel α, jeweils vom Fokus aus betrachtet.
Die aufgeführten Parameter für die Amplitudenmaske aus genau einem Ring sind so ausgelegt, dass die axiale Elongation der Isophoten im Vergleich zur lateralen Ausdehnung deutlich verringert wird, gleichzeitig aber die Intensität in den auftretenden Nebenmaxima der I- sophoten im Vergleich zum Hauptmaximum gering gehalten wird und gleichzeitig die Abnahme der absoluten Intensität des Hauptmaximums im Vergleich zur Intensität ohne Amplitudenmaske möglichst gering gehalten wird.
Für Amplitudenmasken, bestehend aus mehreren Ringen, verringert sich die axiale Ausdehnung der Isophoten im Vergleich zur lateralen Ausdehnung noch weiter und die Intensität in den Nebenmaxima der Isophoten relativ zum Hauptmaximum kann, je nach Wahl der Parameter, deutlich erhöht werden.
Im Unterschied zur Mikroskopie dienen in der vorliegenden Erfindung Amplitudenmasken nicht zur Auflösungsverbesserung beim passiven Aufsammeln von Licht, sondern zur Einstellung der Intensitätsverteilung im Fokus zur aktiven Bearbeitung von Materialien mittels Laserlichts. Gegenüber der Mikroskopie wird der Lichtweg sozusagen umgekehrt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Amplitudenmaske ein Glassubstrat, auf das der oder die Ringe in Form eines Metallfilms, vorzugsweise Gold auf Chrom als Haftschicht, aufgebracht sind, womit sich die Transmission in den metallischen Bereichen einstellen lässt. Der Metallfilm besitzt eine Dicke von 1/100 bis 1/20 der Wellenlänge des Laserstrahls. Für den Bereich des sichtbaren Lichts (400 nm bis 800 nm) sind daher Schichtdicken zwischen 4 nm und 40 nm bevorzugt.
Damit unterscheidet sich eine Amplitudenmasken gegenüber einer Phasenmaske, die nicht die Amplitude, sondern die Phase eines sie beaufschlagenden Lichtstrahls modifiziert. Um die Phase eines auftreffenden Lichtstrahls zu beeinflussen, sind jedoch transparente Materialien, die Schichtdicken zwischen 1/10 und der 1/2 der Wellenlänge des Laserstrahls, d.h. zwischen 40 nm und 400 nm für sichtbares Licht, besitzen, erforderlich.
Amplitudenmasken sind darüber hinaus gegenüber Phasenmasken, die e- benfalls zur Manipulation der Isophoten denkbar wären, vorzuziehen, da im Falle der Amplitudenmasken die Phase noch als freier und unabhängiger Parameter zur Verfügung steht, um auftretende sphärische A- berrationen, chromatische Aberrationen oder andere Linsenfehler, deren Ausprägung teilweise davon abhängt, wie tief im Material der Fokus liegt, zusätzlich, ggf. unter Einsatz weiterer optischer Bauelemente, auszugleichen. Die erfindungsgemäße Anordnung findet Verwendung zur Modifikation der räumlichen Intensitätsverteilung im Fokus oder einem Nebenmaximum des Laserstrahls in einem Material, vorzugsweise in einem photosensitiven Material, das durch den Laserstrahl beaufschlagt wird. Insbesondere eignet sich diese Anordnung damit zur Erzeugung von chemischen oder physikalischen Veränderungen, Ablationen, Mikroexplosionen, Plasmen oder Mikrorissen im Material.
Als belichtetes Material eignen sich insbesondere organische oder anorganische Photolacke, Glas, Ein-Scheiben-Sicherheitsglas (ESG) , Verbund-Sicherheitsglas (VSG) , Acrylglas (PMMA) , Keramikglas, Saphir o- der Polycarbonat (PC) .
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung von Ein- oder Mehrphotonen-Absorption im Fokus oder einem Nebenmaximum des Laserstrahls innerhalb des Materials verwendet .
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Laser auf eine oder mehrere Grenzflächen benachbarter Materialien innerhalb des Materials fokussiert, wodurch die erfindungsgemäße Anordnung im Rahmen des Laserschweißens zur Verbindung von zwei oder mehreren Grenzflächen, die im Fokus oder in einem Nebenmaximum des Laserstrahls liegen, dient.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung findet die erfindungsgemäße Anordnung Verwendung für das direkte Laserschreiben. Durch den erfindungsgemäßen Einbau von Amplitudenmasken in den Strahlengang unmittelbar vor dem fokussierenden Element (Objektiv) wird die axiale Elongation im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung der I- sophoten im Material verringert und auf diese Weise die Form der I- sophoten näher an das Ideal einer Kugelsymmetrie gebracht . Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von hierfür besonders ausgestalteten Amplitudenmasken eine Formgebung und Verstärkung der Ne- benmaxima der Isophoten, über die zusätzlich und gleichzeitig zum Brennpunkt als Hauptmaximum weitere Gebiete im photosensitiven Material belichtet werden. Hierdurch wird z. B. eine räumlich getrennte MuItiphotonen-Polymerisation innerhalb eines Belichtungsschrittes möglich. Damit wird auch die Parallelisierung des Schreibprozesses im direkten Laserschreiben realisierbar.
Im Anschluss an diese Belichtung lässt sich ggf. eine physikalische oder chemische Nachbehandlung des belichteten Materials durchführen.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße optische Anordnung als Strahl- quelle Bestandteil einer optischen Pinzette sein.
Weiterhin findet die erfindungsgemäße optische Anordnung Einsatz in der Medizintechnik, z. B. für Augenoperationen, zur Tattoo- Entfernung, Gewebeablation, Vaporisation, Exzision, zum Schneiden o- der Koagulieren von Weichgewebe mittels Endoskopie.
Eine Amplitudenmaske für eine erfindungsgemäße Anordnung lässt sich mit dem folgenden Verfahren herstellen.
Zunächst wird ein für die Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts geeignetes transparentes Substrat, insbesondere aus Glas, bereitgestellt. Hierauf wird mittels eines lithographischen Verfahrens ein Material, bevorzugt Photolack, als planare negative Maske aufgebracht. Hieran anschließend wird eine dünne Schicht, dessen lokale Extinktion bei der Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts zwischen 0 % und 100 % stufenlos einstellbar ist, auf die Maske aufgedampft. Die lokale Extinktion ergibt sich als Produkt der Extinktionen der einzelnen aufgedampften Schichten. Als Material für die Schichten eignen sich sowohl absorbierende als auch reflektierende Materialien, insbesondere Metallfilme. Nach dem Ablösen der auf das Substrat aufgebrachten Maske, bleibt die dünne Schicht als Positiv auf dem Substrat übrig (Lift-off- Verfahren) . Dieses Positiv stellt die gewünschte Amplitudenmaske dar.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 Schematischer Aufbau einer optischen Anordnung (a) bzw. der Amplitudenmaske (b und c)
Fig. 2 Schema eines bevorzugten Herstellungsverfahrens für eine Amplitudenmaske (a bis e)
Fig. 3 Isophoten um den Fokus bei der Fokussierung eines Laserstrahls auf ein photosensitives Material ohne Amplitudenmaske (Stand der Technik)
Fig. 4 Isophoten um den Fokus bei der Fokussierung eines Laserstrahls auf ein photosensitives Material mit einer Amplitudenmaske (Transmission = 10,21%; Öffnungswinkel θi = 12°, θa = 65, 8951°)
Fig. 5 Isophoten um den Fokus bei der Fokussierung eines Laserstrahls auf ein photosensitives Material mit einer Amplitudenmaske (Transmission = 4,21%, Öffnungswinkel θi = 23°, θa = 62,2218°)
Fig. 6 Schnitte durch Strukturen, hergestellt mittels direktem Laserschreiben ohne (a) oder mit (b) Amplitudenmaske
Fig. Ia) zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 und ihre Verwendung zur Modifikation der räumlichen Intensitätsverteilung eines fokussierten Laserstrahls in einem photosensitiven Material 5. Aus einem Laser 1 tritt ein Laserstrahl 2 aus, in dessen Strahlengang sich zwischen dem Laser 1 und einem fokussieren- den Element 4 eine Amplitudenmaske 3 befindet.
In einer bevorzugten Verwendung bildet der durch das fokussierende Element 4 modifizierte Laserstrahl 2' innerhalb eines photosensitiven Materials 5 einen Brennpunkt (Fokus) 6 sowie, je nach den Eigenschaften der eingesetzten Amplitudenmaske 3 und des fokussierenden EIe- ments 4, darüber hinaus auch zwei oder ggf. mehrere Nebenmaxima 7,
T .
In Fig. Ib) ist schematisch eine konzentrisch aufgebaute Amplitudenmaske 3, die einen einzigen Ring 31 aufweist, dargestellt. In der Mitte der Amplitudenmaske 3 befindet sich ein erster Bereich 30, um den der einzige Ring 31 angeordnet ist. Außerhalb des Rings 31 befindet sich ein weiterer Bereich 32, der genau wie der Bereich 30 eine höhere Transmission für die Laserstrahlung im Vergleich zur Transmission des Rings 31 besitzt. Der Rand 39 der Amplitudenmaske 3, der sich außerhalb des Laserstrahls 2 befindet, weist einen beliebigen Wert für die Transmission zwischen 0% und 100 % auf.
Fig. Ic) zeigt eine weitere schematische Darstellung der konzentrisch aufgebauten Amplitudenmaske 3 mit einem einzigen Ring 31 aus Fig. Ib) . Der innere Öffnungswinkel Θi und der äußere Öffnungswinkel Θa charakterisieren die Amplitudenmaske 3 in Bezug auf die Eintrittspupille des eingesetzten fokussierenden E- lements 4 und dem Öffnungswinkel α.
In Fig. 2 ist schematische ein mögliches Verfahren zur Herstellung einer Amplitudenmaske 3 dargestellt. Fig. 2a) zeigt die Bereitstellung eines für die Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts geeigneten transparenten Substrats 300, auf das gemäß Fig. 2b) eine erste Schicht 301 aus einem Material, bevorzugt Photolack, aufgebracht wurde und anschließend gemäß Fig. 2c) eine planare negative Maske der zu realisierenden Amplitudenmaske 3 hergestellt wurde.
In Fig. 2d) ist dargestellt, wie hieran anschließend eine dünne zweite Schicht 302 aus Chrom, das als Haftvermittler dient, und Gold, deren lokale Extinktion bei der Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts zwischen 0 % und 100 % stufenlos einstellbar ist, auf die Maske 301 aufgedampft wurde. Nach dem Ablösen der gemäß Fig. 2c) auf das Substrat 300 aufgebrachten ersten Schicht 301 (Maske) , blieb, wie in Fig. 2e) dargestellt, die zweite Schicht 302 als Positiv auf dem Sub- strat 300 übrig. Dieses Positiv stellt die Amplitudenmaske 3 dar.
Fig. 3 zeigt als Stand der Technik berechnete Werte der Isophoten (normiert) bei der Fokussierung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 800 nm in den Photolack SU-8 (Brechzahl n = 1,589) . Für das fokussierende Element wurden folgende Parameter angenommen: Öl- Immersions-Mikroskop-Objektiv mit einer Brechzahl ΠÖI = 1,518, eine numerische Apertur NA = 1,4, eine Brennweite f = 2 mm und ein maximaler Öffnungswinkel von a * 67,26° (aus sin a = NA/ΠÖI) . Hierbei ist deutlich der ellipsoide Querschnitt der Isophoten zu erkennen.
Fig. 4 zeigt berechnete Werte der Isophoten (normiert) mit denselben Parametern wie in Fig. 3 bei erfindungsgemäßem Einsatz einer ersten Amplitudenmaske, bestehend aus einem Ring mit einer Transmission = 10,21% und Öffnungswinkeln θi = 12°, θa = 65,8951° auf einem transparenten Glassubstrat. Hierbei ist deutlich der Querschnitt der Isophoten zu erkennen, deren Profil wesentlich sphärischer im Vergleich zu Fig. 3 ist.
Fig. 5 zeigt berechnete Werte der Isophoten (normiert) mit denselben Parametern wie in Fig. 3 bei erfindungsgemäßem Einsatz einer zweiten Amplitudenmaske, bestehend aus einem Ring mit Transmission = 4,21% und Öffnungswinkeln θi = 23°, θa = 62,2218° auf einem transparenten Glassubstrat. Auch hier zeigt sich, dass das Profil der Isophoten im Brennpunkt wesentlich sphärischer im Vergleich zu Fig. 3 ist. Zusätzlich ermöglichen die hierbei auftretenden Isophoten in den Nebenmaxi- ma die gleichzeitige Belichtung von drei Gebieten innerhalb des photosensitiven Materials.
Fig. 6 zeigt Schnitte durch Strukturen, die mittels direktem Laserschreiben ohne die erfindungsgemäße Anordnung (Fig. 6a) bzw. mit der erfindungsgemäßen Anordnung 10 (Fig. 6b) hergestellt wurden. Die Zentralwellenlänge des eingesetzten Lasers 1 betrug λ=780-800 nm (variabel) ; als fokussierendes Element 4 wurde ein Mikroskopobjektiv mit den in Fig. 3 aufgeführten Parametern eingesetzt. Die Amplitudenmaske 3 wies, angepasst an den Durchmesser der Eintrittspupille des fokus- sierenden Elements 4, einen metallischen Ring 31 auf, der aus einem ca. 4 nm dünnen Film aus Chrom und einem ca. 23 nm dünnen Film aus Gold bestand und die Öffnungswinkel θ± = 12,00° ± 1,00° und θa = 65,90° ± 1,00° zeigte. Die Transmission des Rings 31 betrug 10 % ±1 %, wobei dieser Wert die Transmission durch das Gebiet des metallisierten Glassubstrats relativ zur Transmission durch das umgebende Glassubstrat angibt.
Die Struktur in Fig. 6a) wurde mittels eines einfachen fokussierten Laserstrahls ohne Amplitudenmaske hergestellt. Für die Herstellung der Struktur in Fig. 6a) wurde erfindungsgemäß eine Amplitudenmaske 3 eingesetzt, die unmittelbar vor das Mikroskopobjektiv als fokus- sierendem Element 4 in den Laserstrahl 2 eingebracht wurde.
Aus dem Vergleich zwischen den Fig. 6a) und Fig. 6b) ist zu erkennen, dass trotz des Einsatzes der Amplitudenmaske die Belichtung des photosensitiven Materials noch immer gut möglich ist und die Strukturen nach wie vor eine hohe Qualität besitzen. Weiterhin zeigt der Schnitt durch die Strukturen eine deutliche Verbesserung des tropfenförmigen Querschnitts der Balken, da in Fig. 6b die axiale Elongation in z- Richtung im Vergleich zur lateralen Ausdehnung reduziert ist.

Claims

Patentansprüche
1. Optische Anordnung (10) mit einem Laser (1), wobei im Strahlengang des aus dem Laser (1) austretenden Laserstrahls (2) zwischen dem Laser (1) und einem fokussierenden Element (4) derart eine Amplitudenmaske (3) eingebracht ist, dass der Laserstrahl (2) so führbar ist, dass die Beaufschlagung der Amplitudenmaske (3) durch den Laserstrahl (2) vor der Fokussierung des Laserstrahls im fokussierenden Element (4) erfolgt, und der durch das fokus- sierende Element (4) modifizierte Laserstrahl (2') auf einen Brennpunkt (6) innerhalb eines photosensitiven Materials (5) gerichtet ist.
2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, wobei der durch das fokussierende Element (4) modifizierte Laserstrahl (2') innerhalb des photosensitiven Materials (5) zusätzlich zum Fokus (6) mindestens zwei Nebenmaxima (7, 7') ausbildet.
3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Amplitudenmaske (3) mindestens ein Gebiet (31) aufweist, wobei die Transmission des mindestens einen Gebiets (31) geringer ist als die Transmission der Bereiche (30, 32) auf der Amplitudenmaske (3) außerhalb des mindestens einen Gebiets (31) , abgesehen von einem sich außerhalb des Laserstrahls (2) befindlichen Rand (39) der Amplitudenmaske (3) .
4. Optische Anordnung nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine Gebiet mindestens einen Ring (31) darstellt, der konzentrisch um die Achse der Amplitudenmaske (3) angeordnet ist, wobei der mindestens eine Ring (31) eine Transmission von 0 % bis 60 % und die Bereiche (30, 32) außerhalb des mindestens einen Rings (31) eine Transmission zwischen 80 % und 100 % aufweisen.
5. Optische Anordnung nach Anspruch 4 mit genau einem Ring (31) , der einen inneren Öffnungswinkel Θi von 1° bis 25° und einen äußeren Öffnungswinkel Θa von mindestens 60° aufweist.
6. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Amplitudenmaske (3) konzentrisch zur optischen Achse des Laserstrahls (2) angeordnet ist.
7. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Amplitudenmaske (3) ein Glassubstrat umfasst, auf das der mindestens eine Ring (31) als Metallfilm aufgebracht ist, und der Metallfilm eine Dicke von 1/100 bis 1/20 der Wellenlänge des Laserstrahls (2) aufweist.
8. Verwendung einer optischen Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Modifikation der räumlichen Intensitätsverteilung im Fokus (6) oder in einem Nebenmaxima (7, 7') des Laserstrahls (2) in einem dem Laserstrahl (2) ausgesetzten Material (5) .
9. Verwendung einer optischen Anordnung nach Anspruch 8 zur Durchführung von Ein- oder Mehrphotonen-Absorption im Fokus (6) oder in einem der Nebenmaxima (7, 7') des Laserstrahls (2) im Material (5) .
10. Verwendung einer optischen Anordnung nach Anspruch 8 oder 9 zur Erzeugung von chemischen oder physikalischen Veränderungen, AbIa- tionen, Mikroexplosionen, Plasmen oder Mikrorissen im Material (5) .
11. Verwendung einer optischen Anordnung nach Anspruch 8 oder 9 zur Verbindung von mindestens zwei im Fokus (6) oder in einem der Nebenmaxima (7, 7') des Laserstrahls (2) im Material (5) liegenden Grenzflächen.
12. Verwendung einer optischen Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer optischen Pinzette.
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