WO2019149899A1 - Method and device for direct structuring by means of laser radiation - Google Patents

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WO2019149899A1
WO2019149899A1 PCT/EP2019/052522 EP2019052522W WO2019149899A1 WO 2019149899 A1 WO2019149899 A1 WO 2019149899A1 EP 2019052522 W EP2019052522 W EP 2019052522W WO 2019149899 A1 WO2019149899 A1 WO 2019149899A1
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laser radiation
structuring
pulsed
focusing optics
focused laser
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PCT/EP2019/052522
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French (fr)
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Alexandre Mermillod-Blondin
Federico Juan Antonio FURCH
Arkadi Rosenfeld
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Forschungsverbund Berlin E.V.
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Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for patterning materials using laser radiation to form optical structures.
  • Phase changes d. H. Refractive index changes in which material occurs. These refractive index changes can be made on the surface or just below the surface of the material. It is also possible to produce material changes laser-induced in volume.
  • the laser beam is focused perpendicular to the material surface in the material.
  • the material is moved transversely relative to the beam direction of the laser radiation to the corresponding
  • the material is moved longitudinally with respect to the irradiation direction of the laser radiation or its focus in order to carry out the structuring in the interior of the material.
  • Examples of the generation of laser-induced structures by means of the longitudinal and transverse techniques are described, for example, in an article by Rod Taylor et al. in Laser & Photon. Rev. 2, no. 1-2, pages 26-46 (2008).
  • this problem does not occur, but one is characterized by the focusing by the material along the writing or structuring direction by the opening angle of the focusing optics, hereinafter referred to as focusing optics, and the material edges of the object, the material to be structured exists, limited in terms of structuring options. Examples of structurings according to the longitudinal technique can also be found, for example, in G. Cheng et al., Opt Lett. 38 (2013) pp. 1924-1926, and K Mishchik et al. Opt. Express 18 (2010) 24809.
  • ultrashort laser pulses in usually used with pulse durations between 100 femtoseconds to 1000 femtoseconds.
  • FIG. 1 graphically plots the pulse energy on the ordinate 80 with respect to the pulse duration on the abscissa 90. Overall, there are three areas 100, 200, 300, which are assigned to the three different modification regimes 1, 2, 3.
  • a plug-in image 1 1, 12, 13 of a modified structuring is shown, wherein the refractive index changes of the material are indicated by hatching.
  • Oblique hatching indicates a refractive index increase, whereas perpendicular hatching indicates a refractive index depression.
  • Crossed hatches indicate material damage.
  • a hatch density of the simple hatching indicates a size of refractive index change.
  • the three modification modes 1, 2, 3 are separated from each other by threshold functions 10, 20, 30, which indicate the threshold pulse energy as a function of the pulse duration, at which the transition from one modification regime to another modification regime takes place for individual pulses.
  • a material modification in the modification regime 1100 occurs for short laser pulses with a pulse duration of up to approximately 200 femtoseconds, hereinafter abbreviated as fs.
  • fs femtoseconds
  • direct laser writing results in the formation of smooth, uniform optical structures that exhibit a small refractive index change over the unmodified material.
  • such structuring is 1 10 im
  • Pulse energies and short pulse durations are Pulse energies and short pulse durations.
  • the structures can be examined by phase contrast microscopy.
  • the above-mentioned insertion diagrams schematically represent such images produced by means of phase contrast microscopy.
  • the hatch density of the simple hatching indicates the
  • FIG. 2 shows, by way of example, a schematic phase-contrast microscope image 410 for structuring 110 in the first modification regime.
  • An irradiation direction 115 of the pulsed laser radiation is indicated by an arrow.
  • the pulse energy for generating the structuring 1 10 was 80 nanojoules (nJ), the pulse length 100 fs.
  • nJ nanojoules
  • a scale 1 16 is shown for estimating a size of the structuring 1 10 with a length of 10 pm.
  • a light pipe can take place in the structuring 110 parallel to the direction of irradiation 1 15, along which the structuring 110 was formed.
  • Threshold function 20 is shown in Fig. 1, exceeded, then occur
  • the refractive index changes of structuring 120 produced are larger and negative, but material damage 122 and / or due to
  • Refractive index changes are observable. By way of example, this is shown in the second insertion image 12 as well as in somewhat more detail in FIG. The irradiation direction 115 is drawn again.
  • FIG. 3 shows a further schematic phase-contrast microscope image 420 of a structuring 120 which is produced under conditions of the second modification regime 2 (cf. FIG. 1).
  • the structuring 120 was produced with a pulse energy of 200 nanojoules at a pulse duration of 100 fs. The structuring is compared to one
  • Refractive index of the starting material Refractive index of the starting material.
  • material damage 122 which is indicated by a crossed hatching, as well as stresses 123 in the material, which lead to positive refractive index changes.
  • a light pipe is possible perpendicular to the plane of the drawing.
  • the material is moved vertically relative to the laser radiation, ie out of the plane of the drawing or into the plane of the drawing.
  • An optical fiber thus becomes according to the transverse technique created.
  • the light pipe is thus also perpendicular to the plane of the drawing in the range of generated voltages 123.
  • nJ a third pulse of pulse energy of about 400 nanojoules, hereinafter abbreviated as nJ, modifications occur in the so-called third regime 3 300 for pulse durations above about 200 fs.
  • the third pulse energy threshold is by means of the third
  • Threshold function 30 indicated.
  • the structuring 130 shows large
  • Voltages 133 are linked. By way of example, this is indicated in the third insertion image 13.
  • FIGS. 1 and 2 and 3 are likewise to be regarded as exemplary and schematic only.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method and an apparatus for forming laser-induced surface structuring or near-surface structuring, which eliminate or minimize the above limitation.
  • it is desirable to be able to produce monomode-like waveguide structures as structurings.
  • Patent claim 1 and a device for generating the structuring according to the patent claim 1 1 solved.
  • a structuring of the material is considered, which is formed near the surface of the material, wherein a distance from the Surface is smaller than an extent of structuring.
  • Surface structuring is considered to be a structuring which extends as far as the surface, ie which is bounded on one side by the surface itself.
  • the method for producing laser-induced near-surface optical structuring or surface structuring in the material of a body comprises the method steps: generating pulsed laser radiation;
  • Opening angle of the focusing optics is.
  • Focusing optics is directly linked to the numerical aperture NA of the focusing optics, which is given by:
  • NA n - sin ⁇ 2
  • n is the refractive index of the medium in which the radiation propagates.
  • optical structures such as optical fibers, splitters, couplers, interferometers and photonic structures near the substrate surface of the body. These structures can be produced flexibly and inexpensively
  • the structuring is formed so that the generated
  • the focus is set to the surface of the body or to a position in an area inside the body below the surface, wherein the distance of the focus from the surface is less than a diameter, more preferably less than a radius, of the laser radiation in the focus of the material is. This can be optimal
  • the radius here is the distance from the center of the radiation having a rotationally symmetrical beam profile in the focus perpendicular to the direction of propagation, at which the intensity of the radiation has dropped to 1 / e 2 .
  • e is the Euler number.
  • the structuring is preferably carried out with a laser radiation which has a focus diameter of less than 10 ⁇ m in air, preferably between 0.5 ⁇ m and 7 ⁇ m and most preferably between 1 and 3 ⁇ m. With these diameters, it is possible to produce well-homogeneous structurings extending parallel to the surface, whose
  • the pulsed laser radiation has a pulse duration of less than 40 fs.
  • the energy range in which the pulse energies can lie in order to obtain a homogeneous and non-destructive structuring is significantly increased.
  • laser pulses are preferably used, the few
  • the required pulse energy for generating the desired structuring is thus less than the pulse energy which is necessary for the same pulse duration, according to the prior art, a modification according to the second
  • a pulse energy of the individual pulses of the pulsed focused laser radiation or of the pulsed focused laser radiation on the one surface is less than a threshold pulse energy, from the case of a perpendicular irradiation on the one surface, a modification according to the second modification regime occurs.
  • Structuring or surface structuring at the indicated shallow angles relative to the surface of the material to be patterned is smaller than the pulse energy for surface ablation when irradiated perpendicularly to the surface.
  • all of the pulse energies, in each case based on the respective pulse duration, are below a pulse energy threshold value for laser ablation in the case of perpendicular irradiation.
  • all pulse energies, in each case based on the respective pulse duration, are above the corresponding threshold energy for the first modification regime.
  • the energy thresholds for the modification regimes can be determined for a material to be structured by examining the modifications for perpendicular laser pulse radiation.
  • a portion of the laser radiation is blocked so that the unblocked portion of the pulsed laser radiation impinges on only one surface.
  • a portion of the laser radiation is blocked before impinging on the focusing optics. This blocking is preferably carried out near the
  • Inlet opening of the focusing optics Inlet opening of the focusing optics.
  • the blocking can be done, for example, by "mirroring" a part of the laser radiation. In this way, the energy associated with the blocked part of the radiation can be absorbed at a location remote from the focusing optics and the body to be structured and / or converted to another form of energy. Other embodiments provide that the blocking takes place in an absorber.
  • the body to be patterned and the focused laser radiation are moved relative to one another in a plane parallel to the surface of the body, i. to
  • the movement speed is selected depending on the material to be structured, the pulse duration used and the pulse energy and a focus size and focus position.
  • the body is additionally tilted relative to the focused laser radiation, so that the angle of incidence of the focused laser radiation is greater than the opening angle of the focusing optics and the focus is moved into the volume of the body such that laser-induced volume laser-induced structures are generated in the volume, which are applied to the extended laser-induced
  • Surface structuring is proposed an apparatus for producing laser-induced optical near-surface structuring in a material of a body, comprising: a laser for generating pulsed laser radiation; a focusing optics for focusing the pulsed laser radiation and produce pulsed focused
  • the focusing optic is positioned relative to the material so as to radiate the pulsed focused laser radiation onto the material of the body, the focusing optic being positioned relative to the material such that focused pulsed laser radiation is impinged upon the body when irradiated onto the body
  • an angle (ß) include, which is less than or equal to the entire opening angle (a max ) of the
  • FIG. 1 is a graph plotting the pulse energy versus pulse duration to illustrate different modification regimes according to the prior art (prior art);
  • FIG. 1 is a graph plotting the pulse energy versus pulse duration to illustrate different modification regimes according to the prior art (prior art);
  • FIG. 2 shows an exemplary laser-induced structuring according to the prior art according to the modification regime 1 (prior art);
  • FIG. 3 shows an exemplary prior art laser-induced patterning according to the modification regime 2 (prior art);
  • FIG. 4 shows a schematic structure of a device for laser-induced structuring of materials;
  • Fig. 5 shows a further schematic structure of a device for laser-induced
  • FIG. 6 is an exemplary phase contrast micrograph of a structured.
  • Fig. 7 is a schematic cross-sectional view through a body with a
  • FIG. 4 schematically shows a structure of a device 1000 for producing surface-near structuring or surface structuring 11 10 in a material 1100 of a body 1 101.
  • the apparatus 1000 comprises a laser system 1200, which provides short laser pulses with pulse durations in the femtosecond range and high energy.
  • the laser system 1200 may include a so-called seed laser 1210 and a
  • Amplifier 1220, and optionally pulse shaping 1230 include.
  • the individual components of the laser system 1200 are given only by way of example and by way of example.
  • the laser radiation 1300 generated by the laser system 1200 is guided on a focusing optics 1400.
  • the focusing optics 1400 is preferably designed as a specular focusing optics. In this way it can be ensured that the pulse properties, in particular their pulse duration, are not or only minimally changed. A so-called Schwarzschild design is preferred.
  • the focusing optics 1400 which is generally similar to a reflective microscope objective, has a so-called maximum opening angle a max for the out of the focusing optics
  • the numerical aperture NA of focusing optics 1400 can be determined by refractive index n of the material, typically air or vacuum, between focusing optics 1400 and 1400
  • NA n - sin ⁇ 2.
  • the focused laser radiation 1310 is irradiated onto a surface 150 of the material 1100 or of the body 10110. This is done so that a maximum angle ß max between incident beams 131 1 -1314 and the one surface 1 150, measured against the surface 150 1, smaller than the maximum aperture angle a max of the focusing optics 1400 or equal to the maximum aperture angle c of the focusing optics 1400 is.
  • the focus is in this case arranged on the surface 1 150 or in the interior of the material 1 100 immediately below the surface 150 1.
  • a maximum distance of the focus from the surface 150 is preferably smaller than a diameter of the laser radiation in focus, more preferably smaller than a radius of the laser radiation in focus.
  • a focus diameter of the focused laser radiation 1310 is in the order of preferably less than 10 pm, preferably in the range between 1 pm and 7 pm and particularly preferably in the range of 1, 5 pm to 3 pm, these values in each case to a
  • the body 1 101 having the material 1 100 to be structured is connected to a mechanical movement unit 1500 which is designed to make the body 1 101 and thus the material 1 100 to be structured parallel to the surface 150 of the material 1 100 to be structured to move.
  • a mechanical movement unit 1500 which is designed to make the body 1 101 and thus the material 1 100 to be structured parallel to the surface 150 of the material 1 100 to be structured to move.
  • the material selected is preferably quartz glass, which is referred to in English as "fused silica". This is non-crystalline quartz glass, ie usually amorphous silicon dioxide, S1O2. However, it is also possible to structure other materials with the described method or the device described.
  • the wavelength of the laser radiation used can be adapted to the respective material.
  • the material should be transparent to the laser radiation used for structuring, ie have sufficient transmission, so that no significant absorption of the light of the laser radiation occurs. The structuring of the material then takes place via nonlinear effects due to the high pulse energy with the laser pulses, which comprise only a few oscillation cycles of the electric field.
  • Movement of the focusing optics relative to the body or the material to be structured can take place. Again, the relative movement is such that the maximum angle ß max between incident on the surface of the material to be structured rays and the surface itself is less than the maximum opening angle a max of the focusing optics. Thus, the movement of the focusing optics and the body takes place parallel to the
  • FIG. 5 diagrammatically shows a further embodiment of a device 1000 for
  • the irradiation of the focused laser radiation 1310 is so flat on the surface 1 150, that a portion of the beams 1312, 1314, if they are not blocked, not on the surface 150 1 of the material 1 100, but on a side edge 1 180th of the material 1 100 or the body 1101 meet.
  • These rays 1312, 1314 of the focused laser radiation 1310 entering via the side edge 1180 of the material 1100 cause prolonged, generally undesired, aberrations, due to aberrations,
  • the rays 1312, 1314 are shown partially in dashed lines, since these are to the
  • This blocking device 1600 may be formed as an absorber 1601. It would also be possible to emit the portion of the radiation to be blocked from the beam path of the focused laser radiation 1310. Blocking this proportion of Laser radiation does not have to take place between the focusing optics 1400 and the material 1100 or body 1101 to be structured, but can also take place in the focusing optics 1400 or even before the focusing optics 1400. Since laser radiation 1300 which is generally flared onto the focusing optics 1400 is directed, the blocking of a part of the laser radiation 1300 can already take place prior to entry into the focusing optics 1400. As a result, the advantage is achieved that the space between the focusing optics 1400 and the material to be structured 1100 is not limited.
  • the movement unit 1500 is provided again.
  • the propagation direction of the focused laser radiation 1310 is at this
  • Embodiment preferably aligned parallel to the surface 1 150 of the body 1101.
  • the direction of propagation is the direction along which the laser radiation propagates in space without the presence of the body.
  • FIG. 6 shows schematically a phase-contrast micrograph 2440 of a sample which is structured with a device similar to that according to FIG. 5, with the beams 1312, 1314 entering via the side edge 1180 of the material 1100 for the purpose of illustrating the effects that occur were not blocked
  • the movement device comprises the material to be structured or the Body with the material to be structured and / or the imaging optics pivoted relative to each other so that an irradiation can be made at angles which are significantly greater than the maximum aperture angle of the focusing optics.
  • a structuring according to the longitudinal technique can be carried out around the near-surface structures according to the invention or
  • connection structures and / or connect To provide surface structuring with formed in the volume connection structures and / or connect.
  • a lateral movement parallel to the surface of the body coupled with a movement perpendicular thereto can be used to control the
  • connection structures in the interior of the material of the body. This can be done, for example, by the penetrating over the side edge laser beams that have produced in Fig. 6, the unwanted structuring, via a suitable
  • the irradiation of the laser radiation for forming the connection structures does not have to take place via the one surface, but can also take place via the side edges 1180, 1 181 of the body 1 101 (cf. FIG. 7).
  • FIG. 7 schematically shows a cross section through a body 1 101 made of a material 1100, on the one surface 150 of which a surface structuring 11 10 according to the method described here is formed.
  • the surface structuring 1 110 is limited to the upper side 1 150 of the body 1101 by this surface 1 150. This means that the surface structuring 11 10 with the increased refractive index over the refractive index of the material 1100 inside the body 1 101 extends to the surface 1150 of the body 1101. Parallel to the surface 1150 is the
  • Surface structuring 1 110 formed homogeneous and extended. At ends 1 115,
  • connection structures 1 121, 1122 are formed. These connection structures extend from the surface structuring 11 10 into the interior of the material 1 100 respectively to the opposite side edges 1180, 1 181. This makes it possible light over one of the side edges 1180, 1 181 in one of
  • Surface structuring 1 1 10 passes.
  • the light can then be removed from the body 1101 via the corresponding other of the connection patterns 1121, 1 122 be led out.
  • a surface pattern 11 10 may be used as an optical sensor.
  • Modification regime for example, be carried out according to the longitudinal technique.
  • the surface structuring 1 110 in the body 1 101 extends to the side edges 1 180, 1181 or to a side edge 1180, so that without the use of terminal structures light in the
  • Terminal structures 1120, 1 121 Terminal structures 1120, 1 121.
  • Pulse energies are, however, which are for inducing a modification in the modification regime 2 but above the threshold energy for material modifications in the modification regime 1.
  • Surface structuring preferably pulse durations in the range of 10 foreign seconds and less used.

Abstract

The invention relates to a method and a device for direct structuring by means of laser radiation. The invention specifically relates to a method for producing laser-induced optical near-surface structuring in the material of a body, said method comprising the following steps: generating pulsed laser radiation; focussing the pulsed laser radiation (1300) by means of a focussing optical element (1400) for generating focussed laser radiation (1310); and irradiating the pulsed focussed laser radiation (1310) towards the body; beams of the pulsed focussed laser radiation (1310), which, when irradiated towards the material (1100) of the body (1101), are oriented towards a surface (1150) of the material (1100) of the body (1101), forming an angle (β) with the surface (1150) at the incidence point, which is smaller than or the same as the maximum opening angle (αmax) of the focussing optical element. The invention also relates to a device (1000) for producing such near-surface structurings.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur direkten Strukturierung mittels Laserstrahlung  Method and device for direct structuring by means of laser radiation
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Strukturieren von Materialien mithilfe von Laserstrahlung zum Ausbilden von optischen Strukturen. The invention relates to a method and apparatus for patterning materials using laser radiation to form optical structures.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mittels einzelnen kurzen Laserpulsen oder Laserpulsfolgen mit definiertem Energieeintrag in das Material Mikro-Strukturierungen vorzunehmen. Hierbei werden die Strukturierungen so vorgenommen, dass nur It is known from the prior art to perform micro-structuring by means of individual short laser pulses or laser pulse sequences with defined energy input into the material. Here, the structuring is made so that only
Phasenänderungen, d. h. Brechungsindexänderungen, in dem Material auftreten. Diese Änderungen des Brechungsindex können an der Oberfläche oder unmittelbar unter der Oberfläche des Materials ausgeführt werden. Ebenso ist es möglich, auch im Volumen Materialveränderungen laserinduziert zu erzeugen. Phase changes, d. H. Refractive index changes in which material occurs. These refractive index changes can be made on the surface or just below the surface of the material. It is also possible to produce material changes laser-induced in volume.
Bei den bisher im Stand der Technik bekannten Verfahren wird der Laserstrahl senkrecht zur Materialoberfläche in das Material fokussiert. Bei einer Variante wird das Material transversal relativ zur Strahlrichtung der Laserstrahlung bewegt, um die entsprechenden In the previously known in the prior art method, the laser beam is focused perpendicular to the material surface in the material. In one variant, the material is moved transversely relative to the beam direction of the laser radiation to the corresponding
Strukturierungen im Innern des Volumens des Materials vorzunehmen. Bei einer anderen Variante wird das Material longitudinal bezogen auf die Einstrahlrichtung der Laserstrahlung bzw. dessen Fokus bewegt, um die Strukturierungen im Inneren des Materials auszuführen. Beispiele für die Erzeugung von laserinduzierten Strukturierungen mittels der longitudinalen und transversalen Technik sind beispielsweise in einem Artikel von Rod Taylor et al. in Laser & Photon. Rev. 2, No. 1-2, Seiten 26-46 (2008) beschrieben. Make structuring in the interior of the volume of the material. In another variant, the material is moved longitudinally with respect to the irradiation direction of the laser radiation or its focus in order to carry out the structuring in the interior of the material. Examples of the generation of laser-induced structures by means of the longitudinal and transverse techniques are described, for example, in an article by Rod Taylor et al. in Laser & Photon. Rev. 2, no. 1-2, pages 26-46 (2008).
Mit den transversalen Techniken lassen sich keine optischen Strukturierungen erzeugen, die vergleichbar mit Monomodefaserstrukturen sind, da man aufgrund der Fokussierung in das Material Strukturverzerrungen, beispielsweise in Form unerwünschter Verlängerungen erhält. With the transversal techniques, it is not possible to produce optical structurings which are comparable to monomode fiber structures since, due to the focussing in the material, one obtains structural distortions, for example in the form of undesired extensions.
Bei der longitudinalen Technik tritt dieses Problem nicht auf, jedoch ist man durch die Fokussierung durch das Material entlang der Schreib- oder Strukturierungsrichtung durch den Öffnungswinkel der fokussierenden Optik, im Folgenden als Fokussieroptik bezeichnet, und die Materialkanten des Objekts, das aus dem zu strukturierenden Material bestehet, hinsichtlich der Strukturierungsmöglichkeiten begrenzt. Beispiele für Strukturierungen gemäß der longitudinalen Technik findet man zum Beispiel auch bei G. Cheng et al., Opt Lett. 38 (2013) Seiten 1924-1926, und K Mishchik et al. Opt. Express 18 (2010) 24809. In the longitudinal technique, this problem does not occur, but one is characterized by the focusing by the material along the writing or structuring direction by the opening angle of the focusing optics, hereinafter referred to as focusing optics, and the material edges of the object, the material to be structured exists, limited in terms of structuring options. Examples of structurings according to the longitudinal technique can also be found, for example, in G. Cheng et al., Opt Lett. 38 (2013) pp. 1924-1926, and K Mishchik et al. Opt. Express 18 (2010) 24809.
Die Wechselwirkung mit einem Material ist zum einen von der Pulsdauer der Laserstrahlung und zum andern von der Pulsenergie abhängig. Insgesamt werden ultrakurze Laserpulse, in der Regel mit Pulsdauern zwischen 100 Femtosekunden bis 1000 Femtosekunden verwendet. The interaction with a material depends on the one hand on the pulse duration of the laser radiation and on the other hand on the pulse energy. Overall, ultrashort laser pulses, in usually used with pulse durations between 100 femtoseconds to 1000 femtoseconds.
Insgesamt werden im Stand der Technik drei Regime unterschieden, in denen sich Altogether, three regimes are distinguished in the state of the art in which
Modifikationen im Material ergeben. Modifications in the material result.
In Figur 1 ist grafisch die Pulsenergie auf der Ordinate 80 gegenüber der Pulsdauer auf der Abszisse 90 aufgetragen. Insgesamt ergeben sich drei Bereiche 100, 200, 300, die den drei verschiedenen Modifikationsregimen 1 , 2, 3 zugeordnet sind. FIG. 1 graphically plots the pulse energy on the ordinate 80 with respect to the pulse duration on the abscissa 90. Overall, there are three areas 100, 200, 300, which are assigned to the three different modification regimes 1, 2, 3.
In jedem der Bereiche ist ein Einschubbild 1 1 , 12, 13 einer modifizierten Strukturierung gezeigt, wobei der Brechungsindexänderungen des Materials über Schraffuren angedeutet sind. Schräg verlaufende Schraffuren deuten eine Brechungsindexerhöhung an, wohingegen senkrecht verlaufende Schraffuren eine Brechungsindexerniedrigung anzeigen. Gekreuzte Schraffuren kennzeichnen Materialschäden. Eine Schraffurdichte der einfachen Schraffuren deutet eine Größe der Brechungsindexänderung an. In each of the areas, a plug-in image 1 1, 12, 13 of a modified structuring is shown, wherein the refractive index changes of the material are indicated by hatching. Oblique hatching indicates a refractive index increase, whereas perpendicular hatching indicates a refractive index depression. Crossed hatches indicate material damage. A hatch density of the simple hatching indicates a size of refractive index change.
Die drei Modifikationsregime 1 , 2, 3 sind jeweils durch Schwellenwertfunktionen 10, 20, 30 voneinander getrennt, die abhängig von der Pulsdauer die Schwellenpulsenergie angeben, ab der für Einzelpulse der Übergang von einem Modifikationsregime zu einem anderen Modifikationsregime erfolgt. The three modification modes 1, 2, 3 are separated from each other by threshold functions 10, 20, 30, which indicate the threshold pulse energy as a function of the pulse duration, at which the transition from one modification regime to another modification regime takes place for individual pulses.
Ab einer bestimmten Schwellenpulsenergie, die durch die erste Schwellenwertfunktion 10 dargestellt ist, tritt für kurze Laserpulse mit einer Pulsdauer bis etwa 200 Femtosekunden, im Folgenden als fs abgekürzt, eine Materialmodifikation im Modifikationsregime 1 100 auf. In diesem Regime führt das direkte Laserschreiben zur Bildung von glatten, einheitlichen optischen Strukturen, die eine kleine Brechungsindexänderung gegenüber dem nicht modifizierten Material aufweisen. Beispielhaft ist eine solche Strukturierung 1 10 im At a certain threshold pulse energy, which is represented by the first threshold value function 10, a material modification in the modification regime 1100 occurs for short laser pulses with a pulse duration of up to approximately 200 femtoseconds, hereinafter abbreviated as fs. In this regime, direct laser writing results in the formation of smooth, uniform optical structures that exhibit a small refractive index change over the unmodified material. By way of example, such structuring is 1 10 im
Einschubbild 11 dargestellt. Das Modifikationsregime 1 100 tritt somit bei niedrigen Insertion image 11 shown. The modification regime 1 100 thus occurs at low
Pulsenergien und kurzen Pulsdauern auf. Pulse energies and short pulse durations.
Die Strukturen können mittels Phasenkontrastmikroskopie untersucht werden. Die oben erwähnten Einschubbilder stellen schematisch solche mittels Phasenkontrastmikroskopie erzeugte Aufnahmen dar. Die Schraffurdichte der einfachen Schraffur deutet den The structures can be examined by phase contrast microscopy. The above-mentioned insertion diagrams schematically represent such images produced by means of phase contrast microscopy. The hatch density of the simple hatching indicates the
Brechungsindexunterschied gegenüber dem Ausgangsmaterial an. Je höhe die Strichdichte desto größer ist die Brechungsindexerhöhung. Eine Einstrahlrichtung 115 der Laserstrahlung bei der Erzeugung der Strukturierungen ist mittels eines Pfeils angedeutet. In Fig. 2 ist beispielhaft eine schematische Phasenkontrastmikroskopaufnahme 410 für eine Strukturierung 110 im ersten Modifikationsregime dargestellt. Eine Einstrahlrichtung 115 der gepulsten Laserstrahlung ist über einen Pfeil angedeutet. Die Pulsenergie zur Erzeugung der Strukturierung 1 10 betrug 80 Nanojoule (nJ), die Pulslänge 100 fs. Zu erkennen ist eine einheitliche homogene Strukturierung 1 10 mit einer mittleren Erhöhung des Brechungsindex gegenüber dem Brechungsindex des Ausgangsmaterials, beispielsweise Quarzglas. Refractive index difference to the starting material. The higher the coating density, the greater the refractive index increase. An irradiation direction 115 of the laser radiation during the generation of the structuring is indicated by means of an arrow. FIG. 2 shows, by way of example, a schematic phase-contrast microscope image 410 for structuring 110 in the first modification regime. An irradiation direction 115 of the pulsed laser radiation is indicated by an arrow. The pulse energy for generating the structuring 1 10 was 80 nanojoules (nJ), the pulse length 100 fs. Evident is a uniform homogeneous structuring 10 with an average increase in the refractive index relative to the refractive index of the starting material, for example quartz glass.
Zusätzlich ist ein Maßstab 1 16 zum Abschätzen einer Größe der Strukturierung 1 10 mit einer Länge von 10 pm dargestellt. Eine Lichtleitung kann in der Strukturierung 110 parallel zu der Einstrahlrichtung 1 15 erfolgen, entlang derer die Strukturierung 110 ausgebildet wurde. In addition, a scale 1 16 is shown for estimating a size of the structuring 1 10 with a length of 10 pm. A light pipe can take place in the structuring 110 parallel to the direction of irradiation 1 15, along which the structuring 110 was formed.
Wird bei den kurzen Pulsdauern eine zweite Energieschwelle, die durch die zweite If the short pulse durations a second energy threshold, by the second
Schwellenwertfunktion 20 in Fig. 1 dargestellt ist, überschritten, so treten die Threshold function 20 is shown in Fig. 1, exceeded, then occur
Materialmodifikationen im Regime 2 200 auf. Die Größe der zweiten Energieschwelle steigt zu kürzeren Laserpulsdauern an. Für Pulse mit Pulsdauern größer etwa 200 fs existiert nur die zweite Energieschwelle. Für diese Pulsdauern größer etwa 200 fs existieren keine Materialmodifikationen des ersten Modifikationsregimes. Material modifications in the regime 2 200 on. The size of the second energy threshold increases to shorter laser pulse durations. For pulses with pulse durations greater than about 200 fs, only the second energy threshold exists. For these pulse durations greater than about 200 fs, there are no material modifications of the first modification regime.
Im Regime 2 200 sind die erzeugten Brechungsindexänderungen der Strukturierung 120 größer und negativ, jedoch treten auch Materialschäden 122 und/oder aufgrund der In regime 2 200, the refractive index changes of structuring 120 produced are larger and negative, but material damage 122 and / or due to
Strukturierung erzeugte Spannungen 123 im Material auf, an denen positive Structuring generated stresses 123 in the material at which positive
Brechungsindexänderungen beobachtbar sind. Exemplarisch ist dieses in dem zweiten Einschubbild 12 sowie etwas detaillierter in Fig. 3 dargestellt. Die Einstrahlrichtung 115 ist erneut eingezeichnet. Refractive index changes are observable. By way of example, this is shown in the second insertion image 12 as well as in somewhat more detail in FIG. The irradiation direction 115 is drawn again.
Fig. 3 zeigt eine weitere schematische Phasenkontrastmikroskopaufnahme 420 einer Strukturierung 120, die unter Bedingungen des zweiten Modifikationsregimes 2 (vergleiche Fig. 1 ) erzeugt ist. Die Strukturierung 120 wurde mit einer Pulsenergie von 200 Nanojoule bei einer Pulsdauer von 100 fs erzeugt. Die Strukturierung ist im Vergleich zu einer FIG. 3 shows a further schematic phase-contrast microscope image 420 of a structuring 120 which is produced under conditions of the second modification regime 2 (cf. FIG. 1). The structuring 120 was produced with a pulse energy of 200 nanojoules at a pulse duration of 100 fs. The structuring is compared to one
Strukturierung im Modifikationsregime 1 größer und weist einen größeren Brechungsindex unterschied, eine größere Erhöhung des Brechungsindexes, gegenüber dem Structuring in the modification regime 1 larger and has a larger refractive index difference, a greater increase in the refractive index, over the
Brechungsindex des Ausgangsmaterials auf. Jedoch zeigen sich Materialschäden 122, welche über eine gekreuzte Schraffur angedeutet sind sowie Spannungen 123 im Material, die zu positiven Brechungsindexänderungen führen. In diesem Bereich ist senkrecht zur Zeichnungsebene eine Lichtleitung möglich. Um Lichtleiter zu erzeugen, wird das Material relativ zur Laserstrahlung senkrecht bewegt, d. h. aus der Zeichnungsebene heraus oder in die Zeichnungsebene hinein. Ein Lichtleiter wird somit gemäß der transversalen Technik erstellt. Die Lichtleitung erfolgt somit ebenfalls senkrecht zur Zeichnungsebene im Bereich der erzeugten Spannungen 123. Refractive index of the starting material. However, material damage 122, which is indicated by a crossed hatching, as well as stresses 123 in the material, which lead to positive refractive index changes. In this area, a light pipe is possible perpendicular to the plane of the drawing. In order to produce optical fibers, the material is moved vertically relative to the laser radiation, ie out of the plane of the drawing or into the plane of the drawing. An optical fiber thus becomes according to the transverse technique created. The light pipe is thus also perpendicular to the plane of the drawing in the range of generated voltages 123.
Ab einer dritten Pulsenergieschwelle von etwa 400 Nanojoule, im Folgenden als nJ abgekürzt, treten für Pulsdauern oberhalb von etwa 200 fs Modifikationen im sogenannten dritten Regime 3 300 auf. Die dritte Pulsenergieschwelle ist mittels der dritten From a third pulse of pulse energy of about 400 nanojoules, hereinafter abbreviated as nJ, modifications occur in the so-called third regime 3 300 for pulse durations above about 200 fs. The third pulse energy threshold is by means of the third
Schwellenwertfunktion 30 angedeutet. Die Strukturierung 130 zeigt große Threshold function 30 indicated. The structuring 130 shows large
Brechungsindexänderungen, die jedoch mit starken Materialschädigungen 132 und Refractive index changes, however, with strong material damage 132 and
Spannungen 133 verknüpft sind. Exemplarisch ist diese in dem dritten Einschubbild 13 angedeutet. Voltages 133 are linked. By way of example, this is indicated in the third insertion image 13.
Die in Figur 1 gezeigten Werte sind exemplarisch zu verstehen und von dem zu The values shown in FIG. 1 are to be understood by way of example and are to be understood by the same
strukturierenden Material sowie den konkret verwendeten optischen Fokussierbedingungen etc. abhängig. Die erzeugten Strukturierungen, die in Fig. 1 sowie 2 und 3 dargestellt sind, sind ebenfalls nur als exemplarisch und schematisch anzusehen. structuring material as well as the actually used optical focusing conditions, etc. dependent. The structurings produced, which are shown in FIGS. 1 and 2 and 3, are likewise to be regarded as exemplary and schematic only.
Ferner kann es bei der Strukturierung von Materialien an der Oberfläche oder Furthermore, it may be in the structuring of materials on the surface or
oberflächennah zu Ablationen kommen, die ebenfalls sehr unerwünscht sind und die brechungsindexbezogene Strukturierung stören bzw. unmöglich machen. come close to the surface to ablation, which are also very undesirable and interfere with the refractive index-related structuring or impossible.
Für die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur direkten laserinduzierten Strukturierung von Material bestehen somit erhebliche Beschränkungen beim Erzeugen von Strukturierungen, insbesondere oberflächennahen Strukturierungen, die beispielsweise als optische Komponenten, beispielsweise für optische Sensoren, genutzt werden können. For the methods known from the prior art for direct laser-induced structuring of material, there are therefore considerable limitations in the production of structuring, in particular surface-near structuring, which can be used, for example, as optical components, for example for optical sensors.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden von laserinduzierten Oberflächenstrukturierungen oder oberflächennahen Strukturierungen zu schaffen, die die oben genannten Beschränkung beseitigen oder minimieren. Insbesondere ist es wünschenswert, Monomode-ähnliche Wellenleiterstrukturen als Strukturierungen erzeugen zu können. The invention is therefore based on the object to provide a method and an apparatus for forming laser-induced surface structuring or near-surface structuring, which eliminate or minimize the above limitation. In particular, it is desirable to be able to produce monomode-like waveguide structures as structurings.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des The object is achieved by a method with the features of
Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen der Strukturierungen gemäß dem Patentanspruch 1 1 gelöst. Patent claim 1 and a device for generating the structuring according to the patent claim 1 1 solved.
Als oberflächennaher Strukturierung wird eine Strukturierung des Materials angesehen, die nahe unterhalb der Oberfläche des Materials ausgebildet ist, wobei ein Abstand von der Oberfläche kleiner als eine Ausdehnung der Strukturierung ist. Als Oberflächenstrukturierung wird eine Strukturierung angesehen, die sich bis an die Oberfläche erstreckt, d. h. die an einer Seite durch die Oberfläche selbst begrenzt ist. As a near-surface patterning, a structuring of the material is considered, which is formed near the surface of the material, wherein a distance from the Surface is smaller than an extent of structuring. Surface structuring is considered to be a structuring which extends as far as the surface, ie which is bounded on one side by the surface itself.
Das Verfahren zum Erzeugen laserinduzierter oberflächennaher optischer Strukturierungen oder Oberflächenstrukturierungen im Material eines Körpers umfasst die Verfahrensschritte: Erzeugen von gepulster Laserstrahlung; The method for producing laser-induced near-surface optical structuring or surface structuring in the material of a body comprises the method steps: generating pulsed laser radiation;
Fokussieren der gepulsten Laserstrahlung mittels einer Fokussieroptik;  Focusing the pulsed laser radiation by means of a focusing optics;
Einstrahlen der gepulsten Laserstrahlung auf eine Oberfläche des Materials des Körpers; wobei  Irradiating the pulsed laser radiation on a surface of the material of the body; in which
Strahlen der fokussierten gepulsten Laserstrahlung, die beim Einstrahlen auf Material des Rays of focused pulsed laser radiation, which when irradiated on material of
Körpers auf die eine Oberfläche des Materials des Körpers gerichtet sind, mit der Oberfläche am Auftreffpunkt einen Winkel einschließen, welcher kleiner oder gleich dem ganzenOn which one surface of the material of the body is directed, enclose with the surface at the point of impact an angle which is less than or equal to the whole
Öffnungswinkel der Fokussieroptik ist. Der ganze oder maximale Öffnungswinkel amax derOpening angle of the focusing optics is. The whole or maximum opening angle a max of
Fokussieroptik ist unmittelbar mit der numerischen Apertur NA der Fokussieroptik verknüpft, die gegeben ist durch: Focusing optics is directly linked to the numerical aperture NA of the focusing optics, which is given by:
NA = n - sin^ 2 ,  NA = n - sin ^ 2,
wobei n der Brechungsindex des Mediums ist, in dem sich die Strahlung ausbreitet. where n is the refractive index of the medium in which the radiation propagates.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass in diesem Falle an der Oberfläche oder knapp unterhalb der Oberfläche im Inneren des zu strukturierenden Materials des Körpers homogene Strukturen mit einem deutlich größeren Brechungsindexunterschied als im aus dem Stand der Technik bekannten Modifikationsregime 1 erzeugbar sind, ohne dass störende Materialschädigungen auftreten. Die Erfindung ermöglicht es somit die Vorteile der Modifikationsregime 1 und 2 des Standes der Technik zu vereinen und mithilfe von kurzen Laserpulsen, die nur wenige Schwingungszyklen des elektrischen Feldes aufweisen, Mikrostrukturen zu erzeugen, die homogen sind, eine hohe Brechungsindexänderung gegenüber dem Ausgangsmaterial zeigen und keine unerwünschten Materialschäden hervorrufen. Es sind somit Gleichförmigkeit und Freiheit von Materialschäden erreichbar, wie sie für optische Strukturen gemäß dem Modifikationsregime 1 aus dem Stand der Technik bekannt sind, ebenso wie die Eigenschaften des Modifikationsregimes 2, nämlich zum einen die Möglichkeit große Strukturierungen zu schaffen und zum anderen Strukturierungen mit hohen Brechungsindexänderungen gegenüber dem Ausgangsmaterial zu erzeugen. It has surprisingly been found that in this case on the surface or just below the surface in the interior of the material to be structured body homogeneous structures with a significantly larger refractive index difference than in the known from the prior art modification regime 1 can be generated without disturbing material damage occur. The invention thus makes it possible to combine the advantages of the prior art modification regimes 1 and 2 and to produce microstructures which are homogeneous, show a high refractive index change from the starting material and none by means of short laser pulses having only a few electric field oscillations cause undesirable material damage. There are thus uniformity and freedom of material damage achievable, as they are known for optical structures according to the modification regime 1 of the prior art, as well as the properties of the modification regime 2, namely on the one hand the ability to create large structurings and on the other structuring with high To produce refractive index changes over the starting material.
Es lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Strukturen an der Oberfläche oder in einem Bereich unmittelbar unter der Oberfläche erzeugen, die in ihren optischen With the method according to the invention, it is possible to produce structures on the surface or in a region immediately below the surface, which in its optical
Eigenschaften denen von handelsüblichen Monomode-Lichtwellenleitern nahezu entsprechen. Dies ermöglicht es, nahezu beliebige optische Strukturen wie beispielsweise Lichtwellenleiter, Splitter, Koppler, Interferometer und photonische Strukturen nahe der Substratoberfläche des Körpers zu schaffen. Diese Strukturen können flexibel und kostengünstig hergestellt werden Properties of commercial single-mode optical fibers almost correspond. This makes it possible to create almost any optical structures such as optical fibers, splitters, couplers, interferometers and photonic structures near the substrate surface of the body. These structures can be produced flexibly and inexpensively
Besonders bevorzugt werden die Strukturierungen so ausgebildet, dass die erzeugte Particularly preferably, the structuring is formed so that the generated
Strukturierung bis an die eine Oberfläche des Materials reicht. Dieses bedeutet, dass die Strukturierung mit dem veränderten, insbesondere erhöhten, Brechungsindex gegenüber dem Brechungsindex des Ausgangsmaterials des Körpers an der Oberfläche von der Oberfläche selbst begrenzt ist. Structuring to which one surface of the material reaches. This means that the structuring with the changed, in particular increased, refractive index relative to the refractive index of the starting material of the body at the surface is limited by the surface itself.
Vorzugsweise wird der Fokus auf die Oberfläche des Körpers oder auf eine Position in einen Bereich im Innern des Körpers unterhalb der Oberfläche eingestellt, wobei der Abstand des Fokus von der Oberfläche kleiner als ein Durchmesser, bevorzugter kleiner als ein Radius, der Laserstrahlung im Fokus des Materials ist. Hierdurch lassen sich optimale Preferably, the focus is set to the surface of the body or to a position in an area inside the body below the surface, wherein the distance of the focus from the surface is less than a diameter, more preferably less than a radius, of the laser radiation in the focus of the material is. This can be optimal
Strukturierungsergebnisse erreichen. Als Radius wird hier der Abstand vom Mittelpunkt der ein rotationssymmetrisches Strahlprofil aufweisenden Strahlung im Fokus senkrecht zur Ausbreitungsrichtung bezeichnet, an dem die Intensität der Strahlung auf 1/e2 abgefallen ist. e ist hierbei die Eulersche Zahl. Achieve structuring results. The radius here is the distance from the center of the radiation having a rotationally symmetrical beam profile in the focus perpendicular to the direction of propagation, at which the intensity of the radiation has dropped to 1 / e 2 . e is the Euler number.
Die Strukturierung wird vorzugsweise mit einer Laserstrahlung vorgenommen, die in Luft einen Fokusdurchmesser von weniger als 10 pm, bevorzugt zwischen 0,5 pm und 7 pm und am bevorzugtesten zwischen 1 und 3 pm aufweist. Mit diesen Durchmessern lassen sich gut homogene, parallel zur Oberfläche ausgedehnte Strukturierungen erzeugen, deren The structuring is preferably carried out with a laser radiation which has a focus diameter of less than 10 μm in air, preferably between 0.5 μm and 7 μm and most preferably between 1 and 3 μm. With these diameters, it is possible to produce well-homogeneous structurings extending parallel to the surface, whose
Ausdehnungen parallel zur Oberfläche größer als der Durchmesser des Fokus der Extents parallel to the surface larger than the diameter of the focus of the
Lasterstrahlung sind. Load radiation are.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, das Fokussieren der Laserstrahlung mittels einer spiegelnden Optik als Fokussieroptik auszuführen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Strahleigenschaften, insbesondere eine Pulsdauer und eine chromatische Aberration, durch die Fokussierung möglichst wenig beeinträchtigt werden. Dies ist wichtig, da die Wechselwirkung mit dem Material im nichtlinearen Bereich stattfindet und somit die Eigenschaften der Laserstrahlung einen entscheidenden Einfluss auf die Wechselwirkung mit dem Material haben. To be particularly advantageous, it has been found to perform the focusing of the laser radiation by means of a specular optics as focusing optics. This makes it possible to ensure that the beam properties, in particular a pulse duration and a chromatic aberration, are affected as little as possible by the focusing. This is important because the interaction with the material takes place in the non-linear region and thus the properties of the laser radiation have a decisive influence on the interaction with the material.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die gepulste Laserstrahlung eine Pulsdauer von kleiner 40 fs aufweist. Bevorzugt werden sehr kurze Laserpulse mit möglichst kurzen Pulsdauern, bevorzugt von 10 fs oder weniger. Hierdurch wird der Energiebereich, in dem die Pulsenergien liegen können, um eine homogene und zerstörungsfreie Strukturierung zu erhalten, deutlich vergrößert. Somit werden vorzugsweise Laserpulse verwendet, die nur wenige In an advantageous embodiment, the pulsed laser radiation has a pulse duration of less than 40 fs. Very short laser pulses with pulse widths as short as possible, preferably of 10 fs or less, are preferred. As a result, the energy range in which the pulse energies can lie in order to obtain a homogeneous and non-destructive structuring is significantly increased. Thus, laser pulses are preferably used, the few
Schwingungszyklen des elektrischen Felds aufweisen. Im Englischen werden solche Pulse auch als few-cycle Laserpulse bezeichnet. Have vibration cycles of the electric field. In English, such pulses are also referred to as few-cycle laser pulses.
Bei einer vorgegebenen Pulsdauer ist somit die benötigte Pulsenergie zum Erzeugen der gewünschten Strukturierungen geringer als die Pulsenergie, die bei gleicher Pulsdauer nötig ist, um gemäß dem Stand der Technik eine Modifikation gemäß dem zweiten For a given pulse duration, the required pulse energy for generating the desired structuring is thus less than the pulse energy which is necessary for the same pulse duration, according to the prior art, a modification according to the second
Modifikationsregime auszuführen. Modification regime to execute.
Bei einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass eine Pulsenergie der einzelnen Pulse der gepulsten fokussierten Laserstrahlung oder des auf die eine Oberfläche auf treffenden Teils der gepulsten fokussierten Laserstrahlung geringer als eine Schwellenwertpulsenergie ist, ab der bei einer senkrechten Einstrahlung auf die eine Oberfläche eine Modifikation gemäß dem zweiten Modifikationsregime auftritt. In one embodiment, it is therefore provided that a pulse energy of the individual pulses of the pulsed focused laser radiation or of the pulsed focused laser radiation on the one surface is less than a threshold pulse energy, from the case of a perpendicular irradiation on the one surface, a modification according to the second modification regime occurs.
Die benötigte Pulsenergie einzelner Pulse zur Erzeugung der oberflächennahen The required pulse energy of individual pulses to generate the near-surface
Strukturierungen oder Oberflächenstrukturierungen unter den angegebenen flachen Winkeln relativ zur Oberfläche des zu strukturierenden Materials ist kleiner als die Pulsenergie für eine Oberflächenablation bei senkrechter Einstrahlung auf die Oberfläche. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegen sämtliche Pulsenergien jeweils bezogen auf die jeweilige Pulsdauer unterhalb eines Pulsenergieschwellenwertes für eine Laserablation bei senkrechter Einstrahlung. Structuring or surface structuring at the indicated shallow angles relative to the surface of the material to be patterned is smaller than the pulse energy for surface ablation when irradiated perpendicularly to the surface. In a preferred embodiment, all of the pulse energies, in each case based on the respective pulse duration, are below a pulse energy threshold value for laser ablation in the case of perpendicular irradiation.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegen sämtliche Pulsenergien jeweils bezogen auf die jeweilige Pulsdauer jedoch oberhalb der entsprechenden Schwellenenergie für das erste Modifikationsregime. In a particularly preferred embodiment, however, all pulse energies, in each case based on the respective pulse duration, are above the corresponding threshold energy for the first modification regime.
Die Energieschwellen für die Modifikationsregime lassen sich für ein zu strukturierendes Material dadurch ermitteln, dass für senkrechte Laserpulseinstrahlung die Modifikationen untersucht werden. The energy thresholds for the modification regimes can be determined for a material to be structured by examining the modifications for perpendicular laser pulse radiation.
Da bei einer sehr flachen Einstrahlung der Laserstrahlung auf die eine Oberfläche ein Teil des Lichts, welches aus der Fokussieroptik austritt nicht auf diese eine Oberfläche des Körpers auftrifft, sondern auf eine andere Oberfläche des Körpers auftreffen würde, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform ein Teil der Laserstrahlung abgeblockt, sodass der nicht abgeblockt Teil der gepulsten Laserstrahlung nur auf die eine Oberfläche auftrifft. Since, with a very flat irradiation of the laser radiation on the one surface, a part of the light emerging from the focusing optics does not impinge on this one surface of the surface In a preferred embodiment, a portion of the laser radiation is blocked so that the unblocked portion of the pulsed laser radiation impinges on only one surface.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Teil der Laserstrahlung vor dem Auftreffen auf die Fokussieroptik abgeblockt. Dieses Abblocken erfolgt vorzugsweise nahe der In a preferred embodiment, a portion of the laser radiation is blocked before impinging on the focusing optics. This blocking is preferably carried out near the
Eintrittsöffnung der Fokussieroptik. Bei anderen Ausführungsformen wird das Abblocken eines Teils der Laserstrahlung in der Fokussieroptik oder nach der Fokussieroptik, d. h. zwischen der Fokussieroptik und dem zu strukturierenden Körper ausgeführt. Inlet opening of the focusing optics. In other embodiments, blocking of a portion of the laser radiation in the focusing optics or after the focusing optics, i. H. executed between the focusing optics and the body to be structured.
Das Abblocken kann beispielsweise über ein„Ausspiegeln“ eines Teils der Laserstrahlung erfolgen. Hierdurch kann die mit dem abgeblockt Teil der Strahlung verknüpfte Energie an einem Ort entfernt von der Fokussieroptik und dem zu strukturierenden Körper absorbiert und/oder an eine andere Energieform umgewandelt werden. Andere Ausführungsformen sehen vor, dass das Abblocken in einem Absorber stattfindet. The blocking can be done, for example, by "mirroring" a part of the laser radiation. In this way, the energy associated with the blocked part of the radiation can be absorbed at a location remote from the focusing optics and the body to be structured and / or converted to another form of energy. Other embodiments provide that the blocking takes place in an absorber.
Um parallel zur Oberfläche des Körpers ausgedehnte oberflächennahe Strukturierungen oder Oberflächenstrukturierungen zu erzeugen, ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass der zu strukturierende Körper und die fokussierte Laserstrahlung relativ zueinander in einer Ebene parallel zu der Oberfläche des Körpers bewegt werden, d.h. der zu In one embodiment, in order to create extensive near surface structuring or surface structuring parallel to the surface of the body, the body to be patterned and the focused laser radiation are moved relative to one another in a plane parallel to the surface of the body, i. to
strukturierende Körper und der Fokus der Laserstrahlung relativ zueinander bewegt werden. structuring bodies and the focus of the laser radiation are moved relative to each other.
Die Bewegungsgeschwindigkeit wird abhängig von dem zu strukturierenden Material, der verwendeten Pulsdauer und der Pulsenergie sowie einer Fokusgröße und Fokusposition gewählt. The movement speed is selected depending on the material to be structured, the pulse duration used and the pulse energy and a focus size and focus position.
Um die erfindungsgemäß gebildeten laserinduzierten Oberflächenstrukturierungen oder oberflächennahen Strukturierungen mit anderen Strukturierungen im Volumen zu verbinden, ist bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Körper zusätzlich relativ zu der fokussierten Laserstrahlung verkippt wird, so dass der Auftreffwinkel der fokussierten Laserstrahlung größer als der Öffnungswinkel der Fokussieroptik ist und der Fokus ins Volumen des Körpers bewegt wird, so dass durch Laserpulse im Volumen laserinduzierte Strukturen erzeugt werden, die an die ausgedehnte laserinduzierten In order to connect the inventively formed laser-induced surface structures or near-surface structures with other structuring in volume, is provided in a development that the body is additionally tilted relative to the focused laser radiation, so that the angle of incidence of the focused laser radiation is greater than the opening angle of the focusing optics and the focus is moved into the volume of the body such that laser-induced volume laser-induced structures are generated in the volume, which are applied to the extended laser-induced
Oberflächenstrukturierungen angrenzen. Hierdurch werden jedoch keine weiteren Surface structuring adjacent. As a result, however, no further
Oberflächenstrukturierungen geschaffen, sondern eine Strukturierung im Innern im Volumen des Materials des Körpers vorgenommen. Diese werden vorzugsweise gemäß der longitudinalen Technik im ersten Modifikationsregime ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann der Körper senkrecht zur ursprünglichen Orientierung der einen Oberfläche bewegt werden. Das Laserlicht dringt dann gegebenenfalls über eine andere Oberfläche des Körpers in das Material ein. Da die Fokuslänge der Fokussieroptik von dem Brechungsindex der Materie bzw. des Raums zwischen Fokussieroptik und Fokusposition abhängig ist, ist die Fokuslänge in Luft oder Vakuum von der Fokuslänge im Innern des Materials des Körpers verschieden. Um Anschlussstrukturierungen an eine Oberflächenstrukturierung oder eine oberflächennahe Strukturierung im Innern des Körpers auszubilden ist daher zusätzlich in der Regel eine weitere Relativbewegung parallel zur ursprünglichen Orientierung der einen Oberfläche des Körpers notwendig. Surface structuring created, but a structuring made in the interior of the volume of the material of the body. These are preferably carried out according to the longitudinal technique in the first modification regime. Alternatively or additionally, the body can be moved perpendicular to the original orientation of the one surface. The laser light then penetrates optionally via another surface of the body into the material. Since the focus length of the focusing optics is dependent on the refractive index of the matter or the space between the focusing optics and the focus position, the focal length in air or vacuum is different from the focal length in the interior of the material of the body. In order to form connection structures on a surface structuring or a near-surface structuring in the interior of the body, therefore, a further relative movement parallel to the original orientation of the one surface of the body is usually necessary in addition.
Für die Herstellung einer solchen oberflächennahen Strukturierung oder einer For the production of such a near-surface structuring or a
Oberflächenstrukturierung wird eine Vorrichtung zum Erzeugen laserinduzierter optischer oberflächennaher Strukturierungen in einem Material eines Körpers vorgeschlagen, die umfasst: einen Laser zum Erzeugen von gepulster Laserstrahlung; eine Fokussieroptik zum Fokussieren der gepulsten Laserstrahlung und erzeugen gepulster fokussierter Surface structuring is proposed an apparatus for producing laser-induced optical near-surface structuring in a material of a body, comprising: a laser for generating pulsed laser radiation; a focusing optics for focusing the pulsed laser radiation and produce pulsed focused
Laserstrahlung; wobei die Fokussieroptik relativ zu dem Material so angeordnet ist, dass die gepulste fokussierte Laserstrahlung auf das Material des Körpers eingestrahlt wird, wobei die Fokussieroptik relativ zu dem Material so angeordnet ist, dass Strahlen der fokussierten gepulsten Laserstrahlung, die beim Einstrahlen auf den Körper auf eine Oberfläche des Materials des Körpers gerichtet sind, mit der Oberfläche am Auftreffpunkt einen Winkel (ß) einschließen, welcher kleiner oder gleich dem ganzen Öffnungswinkel (amax) der Laser radiation; wherein the focusing optic is positioned relative to the material so as to radiate the pulsed focused laser radiation onto the material of the body, the focusing optic being positioned relative to the material such that focused pulsed laser radiation is impinged upon the body when irradiated onto the body Surface of the material of the body are directed, with the surface at the point of impact an angle (ß) include, which is less than or equal to the entire opening angle (a max ) of the
Fokussieroptik ist. Focusing optics is.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Hereby show:
Fig. 1 ein Diagramm, in dem die Pulsenergie über der Pulsdauer aufgetragen ist, um unterschiedlichen Modifikationsregime gemäß dem Stand der Technik zu veranschaulichen (Stand der Technik); FIG. 1 is a graph plotting the pulse energy versus pulse duration to illustrate different modification regimes according to the prior art (prior art); FIG.
Fig. 2 eine beispielhafte laserinduzierte Strukturierung nach dem Stand der Technik gemäß dem Modifikationsregime 1 (Stand der Technik); FIG. 2 shows an exemplary laser-induced structuring according to the prior art according to the modification regime 1 (prior art); FIG.
Fig. 3 eine beispielhafte laserinduzierte Strukturierung nach dem Stand der Technik gemäß dem Modifikationsregime 2 (Stand der Technik); Fig. 4 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zum laserinduzierten Strukturieren von Materialien; FIG. 3 shows an exemplary prior art laser-induced patterning according to the modification regime 2 (prior art); FIG. 4 shows a schematic structure of a device for laser-induced structuring of materials;
Fig. 5 einen weiteren schematischen Aufbau einer Vorrichtung zum laserinduzierten Fig. 5 shows a further schematic structure of a device for laser-induced
Strukturieren von Materialien;  Structuring of materials;
Fig. 6 eine beispielhafte Phasenkontrastmikroskopaufnahme eines strukturierten FIG. 6 is an exemplary phase contrast micrograph of a structured. FIG
Materials; und  material; and
Fig. 7 eine schematische Querschnittdarstellung durch einen Körper mit einer Fig. 7 is a schematic cross-sectional view through a body with a
Oberflächenstrukturierung.  Surface structuring.
In Fig. 4 ist schematisch ein Aufbau einer Vorrichtung 1000 zum Erzeugen oberflächennaher Strukturierungen oder Oberflächenstrukturierungen 11 10 in einem Material 1 100 eines Körper 1 101 gezeigt. Die Vorrichtung 1000 umfasst ein Lasersystem 1200, welches kurze Laserpulse mit Pulsdauern im Femtosekundenbereich und hoher Energie bereitstellt. Das Lasersystem 1200 kann einen sogenannten Seedlaser 1210 sowie eine FIG. 4 schematically shows a structure of a device 1000 for producing surface-near structuring or surface structuring 11 10 in a material 1100 of a body 1 101. The apparatus 1000 comprises a laser system 1200, which provides short laser pulses with pulse durations in the femtosecond range and high energy. The laser system 1200 may include a so-called seed laser 1210 and a
Verstärkereinrichtung 1220, sowie gegebenenfalls Pulsformungseinrichtungen 1230 umfassen. Die einzelnen Komponenten des Lasersystems 1200 sind nur exemplarisch und beispielhaft aufgeführt. Amplifier 1220, and optionally pulse shaping 1230 include. The individual components of the laser system 1200 are given only by way of example and by way of example.
Die von dem Lasersystem 1200 erzeugte Laserstrahlung 1300 wird auf eine Fokussieroptik 1400 geführt. Die Fokussieroptik 1400 ist vorzugsweise als spiegelnde Fokussieroptik ausgeführt. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die Pulseigenschaften, insbesondere deren Pulsdauer nicht oder nur minimal verändert wird. Bevorzugt wird ein sogenanntes Schwarzschilddesign. The laser radiation 1300 generated by the laser system 1200 is guided on a focusing optics 1400. The focusing optics 1400 is preferably designed as a specular focusing optics. In this way it can be ensured that the pulse properties, in particular their pulse duration, are not or only minimally changed. A so-called Schwarzschild design is preferred.
Die Fokussieroptik 1400, welche in der Regel einem reflektiven Mikroskopobjektiv gleicht, weist einen sogenannten maximalen Öffnungswinkel amax für die aus der FokussieroptikThe focusing optics 1400, which is generally similar to a reflective microscope objective, has a so-called maximum opening angle a max for the out of the focusing optics
1400 austretende fokussierte Laserstrahlung 1310 auf. Dieses ist der maximale Winkel, unter dem sich Strahlen 1311 , 1312, 1313, 1314 der fokussierten Laserstrahlung 1310 schneiden. Anschaulich ist dies der Winkel zwischen einhüllen Strahlen 131 1 , 1312. Die numerische Apertur NA der Fokussieroptik 1400 lässt sich mithilfe des Brechungsindex n des Materials, in der Regel Luft oder Vakuum, zwischen der Fokussieroptik 1400 und dem1400 emergent focused laser radiation 1310. This is the maximum angle at which rays 1311, 1312, 1313, 1314 of the focused laser radiation 1310 intersect. Illustratively, this is the angle between enveloping jets 131 1, 1312. The numerical aperture NA of focusing optics 1400 can be determined by refractive index n of the material, typically air or vacuum, between focusing optics 1400 and 1400
Material 1 100 des zu strukturierenden Körpers 1101 und diesem maximalen ÖffnungswinkelMaterial 1 100 of the body to be structured 1101 and this maximum opening angle
Omax gemäß folgender Formel ausdrücken: Express O max according to the following formula:
NA = n - sin^ 2 . Die fokussierte Laserstrahlung 1310 wird auf eine Oberfläche 1 150 des Materials 1 100 bzw. des Körpers 1 101 eingestrahlt. Dieses erfolgt so, dass ein maximaler Winkel ßmax zwischen auftreffenden Strahlen 131 1 -1314 und der einen Oberfläche 1 150, gemessen gegen die Oberfläche 1 150, kleiner als der maximale Öffnungswinkel amax der Fokussieroptik 1400 oder gleich dem maximale Öffnungswinkel c der Fokussieroptik 1400 ist. NA = n - sin ^ 2. The focused laser radiation 1310 is irradiated onto a surface 150 of the material 1100 or of the body 10110. This is done so that a maximum angle ß max between incident beams 131 1 -1314 and the one surface 1 150, measured against the surface 150 1, smaller than the maximum aperture angle a max of the focusing optics 1400 or equal to the maximum aperture angle c of the focusing optics 1400 is.
Der Fokus ist hierbei auf der Oberfläche 1 150 oder im Inneren des Materials 1 100 unmittelbar unter die Oberfläche 1 150 angeordnet. Ein maximaler Abstand des Fokus von der Oberfläche 1 150 ist vorzugsweise kleiner als ein Durchmesser der Laserstrahlung im Fokus, noch bevorzugter kleiner als ein Radius der Laserstrahlung im Fokus, gewählt. Ein Fokusdurchmesser der fokussierten Laserstrahlung 1310 liegt in der Größenordnung von vorzugsweise kleiner 10 pm bevorzugt im Bereich zwischen 1 pm und 7 pm und besonders bevorzugt im Bereich von 1 ,5 pm bis 3 pm, wobei sich diese Werte jeweils auf eine The focus is in this case arranged on the surface 1 150 or in the interior of the material 1 100 immediately below the surface 150 1. A maximum distance of the focus from the surface 150 is preferably smaller than a diameter of the laser radiation in focus, more preferably smaller than a radius of the laser radiation in focus. A focus diameter of the focused laser radiation 1310 is in the order of preferably less than 10 pm, preferably in the range between 1 pm and 7 pm and particularly preferably in the range of 1, 5 pm to 3 pm, these values in each case to a
Fokusgröße beziehen, die sich in Luft bzw. Vakuum, d. h. in Abwesenheit des zu Focus size, which in air or vacuum, d. H. in the absence of too
strukturierenden Materials ergibt. structuring material results.
Der das zu strukturierende Material 1 100 aufweisende Körper 1 101 ist bei der dargestellten Ausführungsform mit einer mechanischen Bewegungseinheit 1500 verbunden, die ausgebildet ist, den Körper 1 101 und somit das zu strukturierende Material 1 100 parallel zur Oberfläche 1 150 des zu strukturierenden Materials 1 100 zu bewegen. Hierdurch ist es möglich, ausgedehnte oberflächennahe Strukturierungen oder Oberflächenstrukturierungen 1 1 10 in dem Material 1 100 zu erzeugen. Diese vereinigen die Vorteile, die In the illustrated embodiment, the body 1 101 having the material 1 100 to be structured is connected to a mechanical movement unit 1500 which is designed to make the body 1 101 and thus the material 1 100 to be structured parallel to the surface 150 of the material 1 100 to be structured to move. This makes it possible to produce extensive near-surface structuring or surface structuring 1 1 10 in the material 1 100. These combine the advantages that
Materialmodifikationen nach dem Stand der Technik in den Modifikationsregimen 1 und 2 aufweisen. Es lassen sich somit große Brechungsindexunterschiede der Strukturierungen 1 1 10 gegenüber dem umgebenden Material 1 100 erreichen. Ferner können die Material modifications according to the prior art in the Modification Regimes 1 and 2 have. Thus, it is possible to achieve large refractive index differences of the structurings 1100 relative to the surrounding material 1100. Furthermore, the
Strukturierungen 1 1 10 ausgedehnt und homogen erzeugt werden. Hierdurch lassen sich auch Strukturierungen 1 1 10 schaffen, welche in ihren Eigenschaften vergleichbar mit Monomodefasern sind. Structuring 1 1 10 expanded and generated homogeneously. As a result, structures 1 1 10 can also be created which are comparable in their properties to monomode fibers.
Als Material wird vorzugsweise Quarzglas gewählt, welches im englischen als„fused silica“ bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um nicht kristallines Quarzglas, d. h. in der Regel amorphes Siliziumdioxid, S1O2. Es können jedoch mit dem beschriebenen Verfahren bzw. der beschriebenen Vorrichtung auch andere Materialien strukturiert werden. Die Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung kann angepasst an das jeweilige Material gewählt werden. Das Material sollte für die Laserstrahlung, welche zur Strukturierung verwendet wird, transparent sein, d. h. eine ausreichende Transmission aufweisen, sodass keine nennenswerte Absorption des Lichts der Laserstrahlung auftritt. Die Strukturierung des Materials erfolgt dann über nichtlineare Effekte aufgrund der hohen Pulsenergie mit den Laserpulsen, welche nur wenige Schwingungszyklen des elektrischen Felds umfassen. The material selected is preferably quartz glass, which is referred to in English as "fused silica". This is non-crystalline quartz glass, ie usually amorphous silicon dioxide, S1O2. However, it is also possible to structure other materials with the described method or the device described. The wavelength of the laser radiation used can be adapted to the respective material. The material should be transparent to the laser radiation used for structuring, ie have sufficient transmission, so that no significant absorption of the light of the laser radiation occurs. The structuring of the material then takes place via nonlinear effects due to the high pulse energy with the laser pulses, which comprise only a few oscillation cycles of the electric field.
Zum Ausbilden einer ausgedehnten oberflächennahen Strukturierung oder To form an extensive near-surface structuring or
Oberflächenstrukturierung ist es lediglich erforderlich, dass der Fokus der Laserstrahlung relativ zu dem Material, welches strukturiert werden soll, bewegt wird. Dies kann wie in der oben beschriebenen Ausführungsform über eine mechanische Bewegung des Materials bzw. des entsprechenden Körpers parallel zu der Oberfläche des zu strukturierenden Materials mittels einer Bewegungseinheit erfolgen. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch möglich, auch die Laserstrahlung zu bewegen, welches in der Regel über eine mechanische Surface structuring, it is only necessary that the focus of the laser radiation relative to the material to be structured, is moved. This can be done as in the embodiment described above via a mechanical movement of the material or the corresponding body parallel to the surface of the material to be structured by means of a movement unit. Alternatively or additionally, however, it is also possible to move the laser radiation, which usually has a mechanical
Bewegung der Fokussieroptik relativ zu dem Körper bzw. dem zu strukturierenden Material erfolgen kann. Auch hier erfolgt die relative Bewegung so, dass der maximale Winkel ßmax zwischen auf die Oberfläche des zu strukturierenden Materials auftreffenden Strahlen und der Oberfläche selbst geringer als der maximale Öffnungswinkel amax der Fokussieroptik ist. Somit erfolgt die Bewegung der Fokussieroptik und des Körpers jeweils parallel zur Movement of the focusing optics relative to the body or the material to be structured can take place. Again, the relative movement is such that the maximum angle ß max between incident on the surface of the material to be structured rays and the surface itself is less than the maximum opening angle a max of the focusing optics. Thus, the movement of the focusing optics and the body takes place parallel to the
Oberfläche des zu strukturierenden Materials. Surface of the material to be structured.
In Figur 5 ist schematisch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 1000 zum FIG. 5 diagrammatically shows a further embodiment of a device 1000 for
Ausbilden oberflächennaher laserinduzierter Strukturierungen oder Forming near-surface laser-induced structuring or
Oberflächenstrukturierungen 11 10 in einem Material 1100 eines Körpers 1 101 dargestellt. Gleiche technische Merkmale der Figuren 4 und 5 sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und nur einmal detailliert beschrieben. Surface structuring 11 10 shown in a material 1100 of a body 1 101. The same technical features of Figures 4 and 5 are marked with the same reference numerals and only described in detail once.
Bei dieser Alternative erfolgt die Einstrahlung der fokussierten Laserstrahlung 1310 so flach auf die Oberfläche 1 150, dass ein Teil der Strahlen 1312, 1314, sofern sie nicht blockiert werden, nicht auf die Oberfläche 1 150 des Materials 1 100, sondern auf eine Seitenkante 1 180 des Materials 1 100 bzw. des Körpers 1101 treffen. Diese über die Seitenkante 1180 des Materials 1 100 eintretenden Strahlen 1312, 1314 der fokussierten Laserstrahlung 1310 verursachen aufgrund von Aberrationen verlängerte , in der Regel unerwünschte, In this alternative, the irradiation of the focused laser radiation 1310 is so flat on the surface 1 150, that a portion of the beams 1312, 1314, if they are not blocked, not on the surface 150 1 of the material 1 100, but on a side edge 1 180th of the material 1 100 or the body 1101 meet. These rays 1312, 1314 of the focused laser radiation 1310 entering via the side edge 1180 of the material 1100 cause prolonged, generally undesired, aberrations, due to aberrations,
Strukturierungen 1190. Structuring 1190.
Die Strahlen 1312, 1314 sind teilweise gestrichelt dargestellt, da diese, um die The rays 1312, 1314 are shown partially in dashed lines, since these are to the
beschriebenen unerwünschten Effekte zu vermeiden, mittels einer Blockiereinrichtung 1600 abgeblockt werden. Diese Blockiereinrichtung 1600 kann als Absorber 1601 ausgebildet sein. Möglich wäre es auch, den zu blockierenden Teil der Strahlung aus dem Strahlengang der fokussierten Laserstrahlung 1310 auszuspiegeln. Das Blockieren dieses Anteils der Laserstrahlung muss nicht zwischen der Fokussieroptik 1400 und dem zu strukturierenden Material 1100 bzw. Körper 1101 erfolgen, sondern kann auch in der Fokussieroptik 1400 oder bereits vor der Fokussieroptik 1400 erfolgen. Da auf die Fokussieroptik 1400 in der Regel aufgeweitete Laserstrahlung 1300 gerichtet wird, kann das Blockieren eines Teils der Laserstrahlung 1300 bereits vor dem Eintritt in die Fokussieroptik 1400 erfolgen. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass der Bauraum zwischen der Fokussieroptik 1400 und dem zu strukturierenden Material 1100 nicht eingeschränkt wird. be prevented by means of a blocking device 1600 blocked. This blocking device 1600 may be formed as an absorber 1601. It would also be possible to emit the portion of the radiation to be blocked from the beam path of the focused laser radiation 1310. Blocking this proportion of Laser radiation does not have to take place between the focusing optics 1400 and the material 1100 or body 1101 to be structured, but can also take place in the focusing optics 1400 or even before the focusing optics 1400. Since laser radiation 1300 which is generally flared onto the focusing optics 1400 is directed, the blocking of a part of the laser radiation 1300 can already take place prior to entry into the focusing optics 1400. As a result, the advantage is achieved that the space between the focusing optics 1400 and the material to be structured 1100 is not limited.
Auch bei dieser Ausführungsform ist es vorgesehen, eine Relativbewegung zwischen dem Teil der fokussierten Laserstrahlung 1310, der auf die Oberfläche 1150 des zu Also in this embodiment, it is provided, a relative movement between the part of the focused laser radiation 1310, which is applied to the surface 1150 of
strukturierenden Materials 1100 auftrifft, und dem zu dem strukturierenden Material auszuführen. Hierfür ist erneut die Bewegungseinheit 1500 vorgesehen. structuring material 1100, and to perform the structuring of the material. For this purpose, the movement unit 1500 is provided again.
Die Ausbreitungsrichtung der fokussierten Laserstrahlung 1310 ist bei dieser The propagation direction of the focused laser radiation 1310 is at this
Ausführungsform vorzugsweise parallel zu der Oberfläche 1 150 des Körpers 1101 ausgerichtet. Die Ausbreitungsrichtung ist jene Richtung entlang der sich die Laserstrahlung ohne Anwesenheit des Körpers im Raum ausbreitet. Embodiment preferably aligned parallel to the surface 1 150 of the body 1101. The direction of propagation is the direction along which the laser radiation propagates in space without the presence of the body.
In Figur 6 ist schematisch eine Phasenkontrastmikroskopaufnahme 2440 einer Probe dargestellt, die mit einer Vorrichtung ähnlich zu der nach Figur 5 strukturiert ist, wobei die über die Seitenkante 1 180 des Materials 1 100 der Probe eintretenden Strahlen 1312, 1314 zum Zwecke der Veranschaulichung der auftretenden Effekte nicht blockiert wurden FIG. 6 shows schematically a phase-contrast micrograph 2440 of a sample which is structured with a device similar to that according to FIG. 5, with the beams 1312, 1314 entering via the side edge 1180 of the material 1100 for the purpose of illustrating the effects that occur were not blocked
(vergleiche Fig. 5). (See Fig. 5).
Links ist die erfindungsgemäße Strukturierung 11 10 zu erkennen, die einen hohen On the left, the structuring according to the invention 11 10 can be seen, the high
Brechungsindexunterschied gegenüber dem Brechungsindex des Ausgangsmaterials aufweist. Rechts sind durch Aberration verlängerte, unerwünschte Strukturierungen 1190 zu erkennen, die durch den nicht abgeblockten Teil der Strahlen 1312, 1314 der fokussierten Laserstrahlung 1310 verursacht sind, die über eine Seitenkante 1 180 des Materials eingetreten sind. Deren Fokusposition, an der diese die unerwünschten Strukturierungen 1 190 ausgeführt haben, liegt deutlich entfernt von der Fokusposition, der über die Oberfläche 1 150 auftreffenden Strahlen 1311 , 1313. Has refractive index difference from the refractive index of the starting material. On the right, by aberration, elongated unwanted patterns 1190 are seen caused by the unblocked portion of the beams 1312, 1314 of the focused laser beam 1310 that have entered over a side edge 180 of the material. Their focus position at which they have carried out the unwanted structuring 1 190, is significantly removed from the focus position, the incident on the surface 1 150 rays 1311, 1313th
Um die oberflächennahen Strukturierungen oder Oberflächenstrukturierungen, welche monomodefaserähnliche optische Eigenschaften erreichen können, an im Volumen ausgebildete Strukturen anschließen zu können, ist bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Bewegungseinrichtung das zu strukturierenden Material bzw. den Körper mit dem zu strukturierenden Material und/oder die Abbildungsoptik so relativ zueinander verschwenkt, dass eine Einstrahlung unter Winkeln vorgenommen werden kann, welche deutlich größer als der maximale Öffnungswinkel der Fokussieroptik sind. Hierdurch kann beispielsweise eine Strukturierung gemäß der longitudinalen Technik vorgenommen werden um die oberflächennahen erfindungsgemäßen Strukturierungen oder In order to be able to connect the structures close to the surface or surface structuring, which can achieve monomode-fiber-like optical properties, to structures formed in the volume, it is provided in a further development of the invention that the movement device comprises the material to be structured or the Body with the material to be structured and / or the imaging optics pivoted relative to each other so that an irradiation can be made at angles which are significantly greater than the maximum aperture angle of the focusing optics. In this way, for example, a structuring according to the longitudinal technique can be carried out around the near-surface structures according to the invention or
Oberflächenstrukturierungen mit im Volumen ausgebildeten Anschlussstrukturen zu versehen und/oder zu verbinden. To provide surface structuring with formed in the volume connection structures and / or connect.
Alternativ kann auch eine laterale Bewegung parallel zur der Oberfläche des Körpers gekoppelt mit einer Bewegung senkrecht hierzu verwendet werden, um die Alternatively, a lateral movement parallel to the surface of the body coupled with a movement perpendicular thereto can be used to control the
Anschlussstrukturen im Innern des Materials des Körpers auszubilden. Dieses kann beispielsweise erfolgen, indem die über die Seitenkante eindringenden Laserstrahlen, die in Fig. 6 die unerwünschten Strukturierungen erzeugt haben, über eine geeignete Forming connection structures in the interior of the material of the body. This can be done, for example, by the penetrating over the side edge laser beams that have produced in Fig. 6, the unwanted structuring, via a suitable
Relativbewegung von Körper 1001 und Fokussieroptik 1400 im Volumen des Materials des Körpers die Anschlussstruktur oder die Anschlussstrukturen 1 120, 1 121 (vergl. Fig. 7) ausbilden. Dieses kann analog der longitudinalen Technik aus dem Stand der Technik erfolgen. Relative movement of body 1001 and focusing optics 1400 in volume of the material of the body, the terminal structure or the connection structures 1 120, 1 121 (see Fig. 7) form. This can be done analogously to the longitudinal technique of the prior art.
Die Einstrahlung der Laserstrahlung zum Ausbilden der Anschlussstrukturen muss nicht über die eine Oberfläche erfolgen, sondern kann auch über die Seitenkanten 1180, 1 181 des Körpers 1 101 erfolgen (vergleiche Fig. 7). The irradiation of the laser radiation for forming the connection structures does not have to take place via the one surface, but can also take place via the side edges 1180, 1 181 of the body 1 101 (cf. FIG. 7).
In Fig. 7 ist schematisch ein Querschnitt durch einen Körper 1 101 aus einem Material 1100 dargestellt, an dessen einen Oberfläche 1 150 eine Oberflächenstrukturierung 11 10 gemäß dem hier beschriebenen Verfahren ausgebildet ist. Die Oberflächenstrukturierung 1 110 ist zu der Oberseite 1 150 des Körpers 1101 durch diese Oberfläche 1 150 begrenzt. Dies bedeutet, dass sich die Oberflächenstrukturierung 11 10 mit dem erhöhten Brechungsindex gegenüber dem Brechungsindex des Material 1100 Innern des Körpers 1 101 bis an die Oberfläche 1150 des Körpers 1101 erstreckt. Parallel zu der Oberfläche 1150 ist die FIG. 7 schematically shows a cross section through a body 1 101 made of a material 1100, on the one surface 150 of which a surface structuring 11 10 according to the method described here is formed. The surface structuring 1 110 is limited to the upper side 1 150 of the body 1101 by this surface 1 150. This means that the surface structuring 11 10 with the increased refractive index over the refractive index of the material 1100 inside the body 1 101 extends to the surface 1150 of the body 1101. Parallel to the surface 1150 is the
Oberflächenstrukturierung 1 110 homogen und ausgedehnt ausgebildet. An Enden 1 115,Surface structuring 1 110 formed homogeneous and extended. At ends 1 115,
1 116 der Oberflächenstrukturierung 1 110 sind Anschlussstrukturen 1 121 , 1122 ausgebildet. Diese Anschluss Strukturen erstrecken sich von der Oberflächenstrukturierung 11 10 ins Innere des Materials 1 100 jeweils zu den gegenüberliegenden Seitenkanten 1180, 1 181. Hierdurch wird es möglich Licht über eine der Seitenkanten 1180, 1 181 in eine der 1 116 of the surface structuring 1 110 connecting structures 1 121, 1122 are formed. These connection structures extend from the surface structuring 11 10 into the interior of the material 1 100 respectively to the opposite side edges 1180, 1 181. This makes it possible light over one of the side edges 1180, 1 181 in one of
Anschlussstrukturen 1121 , 1 122 einzukoppeln, die dann das Licht zu der Coupling connection structures 1121, 1 122, which then the light to the
Oberflächenstrukturierung 1 1 10 leitet. Über die entsprechende andere der Anschluss Strukturierungen 1121 , 1 122 kann das Licht dann wieder aus dem Körper 1101 herausgeleitet werden. Auf der Oberfläche 1150 befindliche Substanzen oder mit der Oberfläche 1 150 in Kontakt befindliche Probekörper (beide nicht dargestellt) können die Lichtleitung im Bereich der Oberflächenstrukturierung 1 110 beeinflussen. Diese Surface structuring 1 1 10 passes. The light can then be removed from the body 1101 via the corresponding other of the connection patterns 1121, 1 122 be led out. On the surface 1150 substances located or with the surface 1 150 in contact sample (both not shown), the light conduction in the surface structuring 1 110 influence. These
Veränderungen der Lichtleitung können erfasst und ausgewertet werden. Somit kann eine Oberflächenstrukturierung 11 10 als ein optischer Sensor verwendet werden. Changes in the light pipe can be detected and evaluated. Thus, a surface pattern 11 10 may be used as an optical sensor.
Die Anschlussstrukturen 1121 , 1 122, können als Modifikationen im ersten The terminal structures 1121, 1 122, as modifications in the first
Modifikationsregime, beispielsweise gemäß der longitudinalen Technik ausgeführt werden. Modification regime, for example, be carried out according to the longitudinal technique.
Andere Ausführungsformen sehen vor, dass sich die Oberflächenstrukturierung 1 110 in dem Körper 1 101 bis zu den Seitenkanten 1 180, 1181 oder bis zu einer Seitenkante 1180 erstreckt, sodass ohne die Verwendung von Anschlussstrukturen Licht in die Other embodiments provide that the surface structuring 1 110 in the body 1 101 extends to the side edges 1 180, 1181 or to a side edge 1180, so that without the use of terminal structures light in the
Oberflächenstrukturierung über eine der Seitenkanten des Körpers des Materials eingekoppelt werden kann. Diese Ausführungsform ist durch eine gestrichelte Linie 1110-a angedeutet sein, welche eine Abgrenzung der fortgesetzten Strukturierung 1 110 zum Rest des Materials 1 100 darstellt. Bei dieser Ausführungsform fehlen dann die Surface structuring via one of the side edges of the body of the material can be coupled. This embodiment is indicated by a dashed line 1110-a, which represents a delineation of the continued structuring 1 110 to the rest of the material 1100. In this embodiment, then missing
Anschlussstrukturen 1120, 1 121. Terminal structures 1120, 1 121.
Zu beachten ist, dass die erfindungsgemäße Strukturierung, beispielsweise von Quarzglas, unter sehr flachem Einfallswinkel bei Pulsenergien möglich ist, die unterhalb der It should be noted that structuring according to the invention, for example of quartz glass, is possible under very flat angles of incidence at pulse energies below the
Pulsenergien liegen, welche für ein Herbeiführen einer Modifikation im Modifikationsregime 2 jedoch oberhalb der Schwellenenergie für Materialmodifikationen im Modifikationsregime 1 liegen. Je kürzer die Pulsdauer der zur Erzeugung verwendeten kurzen Laserpulse ist, desto größer ist die Pulsenergiespanne, zwischen der Schwellenenergie für die Pulse energies are, however, which are for inducing a modification in the modification regime 2 but above the threshold energy for material modifications in the modification regime 1. The shorter the pulse duration of the short laser pulses used for the generation, the greater the pulse energy margin, between the threshold energy for the
Materialmodifikationen im Modifikationsregime 1 und der Schwellenenergie für Material modifications in the modification regime 1 and the threshold energy for
Materialmodifikationen im Modifikationsregime 2. Daher werden zum Ausbilden der Material modifications in the modification regime 2. Therefore, to form the
Oberflächenstrukturierung vorzugsweise Pulsdauern im Bereich von 10 Fremdsekunden und weniger verwendet. Surface structuring preferably pulse durations in the range of 10 foreign seconds and less used.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 erstes Modifikationsregime 1 first modification regime
2 zweites Modifikationsregime  2 second modification regime
3 drittes Modifikationsregime  3 third modification regime
10 erste Schwellenwertfunktion  10 first threshold function
1 1 Einschubbild  1 1 slot-in picture
12 Einschubbild  12 insertion picture
13 Einschubbild  13 insertion picture
20 zweite Schwellenwertfunktion  20 second threshold function
30 dritte Schwellenwertfunktion  30 third threshold function
80 Ordinate  80 ordinates
90 Abszisse  90 abscissa
100 Bereich des ersten Modifikationsregimes  100 range of the first modification regime
1 10 Strukturierung  1 10 structuring
115 Einstrahlrichtung  115 direction of irradiation
116 Maßstab  116 scale
120 Strukturierung 120 structuring
122 Materialschäden 122 material damage
123 Spannungen 123 voltages
126 Maßstab 126 scale
130 Strukturierung 130 structuring
132 Materialschädigungen 132 material damage
200 Bereich des zweiten Modifikationsregimes 200 range of the second modification regime
300 Bereich des dritten Modifikationsregimes 300 area of the third modification regime
410 Phasenkontrastmikroskopaufnahme 410 phase contrast micrograph
420 Phasenkontrastmikroskopaufnahme 420 phase contrast micrograph
1000 Vorrichtung 1000 device
1 100 Material 1 100 material
1 101 Körper 1 101 body
1 110 Strukturierung 1 110 structuring
1 110-a Line zum Andeuten der Fortsetzung der Strukturierung 1 115, 1 116 Ende der Strukturierung 1 110-a Line to indicate continuation of structuring 1 115, 1 116 End of structuring
1 120,1 121 Anschlussstrukturen 1 120.1 121 connection structures
1 150 Oberfläche 1 150 surface
1 180, 1 181 (einander gegenüberliegende) Seitenkanten 1 190 verlängerte, unerwünschte Strukturierungen 1 180, 1 181 (opposite) side edges 1 190 prolonged, unwanted structuring
1200 Lasersystem  1200 laser system
1210 Seedlaser  1210 seed lasers
1220 Verstärkereinrichtung  1220 amplifier device
1230 Pulsformungseinrichtungen  1230 pulse shaping devices
1300 Laserstrahlung  1300 laser radiation
1310 fokussierte Laserstrahlung  1310 focused laser radiation
131 1 Strahlen  131 1 rays
1400 Fokussieroptik  1400 focusing optics
1500 Bewegungseinheit  1500 movement unit
1600 Blockiereinrichtung  1600 blocking device
1601 Absorber  1601 absorber
2440 Phasenkonstrastmikroskopaufnahme  2440 phase-contrast micrograph
Gmax maximale Öffnungswinkel der Fokussieroptik  Gmax maximum opening angle of the focusing optics
ßmax maximaler Winkel zwischen auftreffenden Strahlen und Oberfläche ßmax maximum angle between incident rays and surface

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Erzeugen laserinduzierter optischer oberflächennaher 1. A method of producing laser-induced optical near-surface
Strukturierungen oder Oberflächenstrukturierungen (1 110) im Material (1 100) eines Körpers (1101 ) umfassend  Structuring or surface structuring (1 110) in the material (1 100) of a body (1101) comprising
Erzeugen von gepulster Laserstrahlung (1300);  Generating pulsed laser radiation (1300);
Fokussieren der gepulsten Laserstrahlung (1300) mittels einer Fokussieroptik (1400) zum Erzeugen gepulster fokussierter Laserstrahlung (1310);  Focusing the pulsed laser radiation (1300) by means of focusing optics (1400) to produce pulsed focused laser radiation (1310);
Einstrahlen der gepulsten fokussierten Laserstrahlung (1310) auf das Material (1 100) des Körpers (1101 );  Irradiating the pulsed focused laser radiation (1310) onto the material (1100) of the body (1101);
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
Strahlen (131 1-1314) der gepulsten fokussierten Laserstrahlung (1310), die beim Einstrahlen auf das Material (1 100) des Körpers (1 101 ) auf eine Oberfläche (1 150) des Materials (1100) des Körpers (1101 ) gerichtet sind, mit der Oberfläche (1050) am Auftreffpunkt einen Winkel (ß) einschließen, welcher kleiner oder gleich dem maximalen Öffnungswinkel (amax) der Fokussieroptik (1400) ist. Rays (131 1-1314) of the pulsed focused laser radiation (1310) directed at a surface (150) of the material (1100) of the body (1101) when irradiated onto the material (1100) of the body (1101) , with the surface (1050) at the point of impact include an angle (ß), which is less than or equal to the maximum opening angle (a max ) of the focusing optics (1400).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierung mit einer spiegelnden Optik als Fokussieroptik (1400) vorgenommen wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the focusing is performed with a specular optics as focusing optics (1400).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus auf die Oberfläche (1 150) des Materials (1100) eingestellt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the focus on the surface (1 150) of the material (1100) is adjusted.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus im Innern des Material (1100) unterhalb der einen Oberfläche (1150) ausgebildet wird, wobei ein Abstand des Fokus von der einen Oberfläche (1150) des Körpers (1 101 ) kleiner als der Durchmesser der fokussierten Laserstrahlung im Fokus, bevorzugter kleiner als der Radius der fokussierten Laserstrahlung im Fokus, ausgebildet wird. 4. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the focus is formed in the interior of the material (1100) below the one surface (1150), wherein a distance of the focus from the one surface (1150) of the body (1 101) is smaller than the diameter of the focused laser radiation in focus, more preferably smaller than the radius of the focused laser radiation in focus.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der gepulsten Laserstrahlung (1300) oder gepulsten fokussierten 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a part of the pulsed laser radiation (1300) or pulsed focused
Laserstrahlung (1310) abgeblockt wird, so dass der nicht abgeblockt Teil der gepulsten fokussierten Laserstrahlung (1310) nur auf die eine Oberfläche (1150) des Materials (1100) des Körpers (1101 ) auftritt oder durch die eine Oberfläche (1 150) durchtritt. Laser radiation (1310) is blocked so that the unblocked portion of the pulsed focused laser radiation (1310) occurs only on the one surface (1150) of the material (1100) of the body (1101) or passes through the one surface (1 150).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Oberfläche (1150) des Körpers (1101 ) parallel zu der einen Oberfläche (1150) des Materials (1100) des Körpers (1101 ) relativ zur fokussierten Laserstrahlung6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the one surface (1150) of the body (1101) parallel to the one surface (1150) of the material (1100) of the body (1101) relative to the focused laser radiation
(1310) bewegt wird, um eine ausgedehnte Strukturierungen (1 110) auszubilden. (1310) is moved to form an extended patterning (1110).
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Körper (1 101 ) und die gepulste fokussierte Laserstrahlung7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in addition the body (1 101) and the pulsed focused laser radiation
(1310) relativ zueinander verschschwenkt werden, so dass ein Auftreffwinkel der fokussierten Laserstrahlung (1310) größer als der Öffnungswinkel der (1310) are pivoted relative to each other, so that an angle of incidence of the focused laser radiation (1310) greater than the opening angle of
Fokussieroptik (1400) ist und der Fokus ins Volumen des Materials (1 100) des Körpers (1101 ) bewegt wird, so dass zusätzlich im Volumen laserinduzierte Volumenstrukturierungen erzeugt werden, die an die oberflächennah erzeugten laserinduzierten Strukturierungen (11 10) angrenzen.  Focusing optics (1400) is and the focus in the volume of the material (1 100) of the body (1101) is moved so that in addition laser-induced volume structures are generated in the volume, which adjoin the near-surface generated laser-induced structures (11 10).
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die numerische Apertur (NA) der Fokussieroptik (1400) kleiner oder gleich 0,5 gewählt wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the numerical aperture (NA) of the focusing optics (1400) is chosen to be less than or equal to 0.5.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die eine Oberfläche (1 150) des Materials (1 100) auftreffenden Strahlen (131 1 , 1313) der gepulsten fokussierten Laserstrahlung (1310) maximal einen Winkel mit der einen Oberfläche (1150) einschließen, der kleiner als die Hälfte des ganzen Öffnungswinkels (amax) der Fokussieroptik (1400) ist. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the on the one surface (1 150) of the material (1 100) incident rays (131 1, 1313) of the pulsed focused laser radiation (1310) at most an angle with the one surface (1150) which is smaller than half the full aperture angle (a max ) of the focusing optics (1400).
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsenergie der einzelnen Pulse der gepulsten fokussierten 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a pulse energy of the individual pulses of the pulsed focused
Laserstrahlung (1310) oder des auf die eine Oberfläche auf treffenden Teils der gepulsten fokussierten Laserstrahlung (1310) geringer als eine  Laser radiation (1310) or of the surface on a striking part of the pulsed focused laser radiation (1310) less than one
Schwellenwertpulsenergie ist, ab der bei einer senkrechten Einstrahlung auf die eine Oberfläche (1150) eine Modifikation gemäß dem zweiten Modifikationsregime (2) auftritt.  Threshold pulse energy is above which a modification according to the second modification regime (2) occurs in a perpendicular irradiation on the one surface (1150).
1 1. Vorrichtung zum Erzeugen laserinduzierter optischer oberflächennaher 1 1. Apparatus for generating laser-induced optical near-surface
Strukturierungen oder Oberflächenstrukturierungen (11 10) in einem Material (1100) eines Körpers (1 101 ) umfassend:  Structuring or surface structuring (11 10) in a material (1100) of a body (1 101) comprising:
einen Laser (1200) zum Erzeugen von gepulster Laserstrahlung (1300);  a laser (1200) for generating pulsed laser radiation (1300);
eine Fokussieroptik zum Fokussieren der gepulsten Laserstrahlung und Erzeugen gepulster fokussierter Laserstrahlung; a focusing optics for focusing the pulsed laser radiation and generating pulsed focused laser radiation;
wobei die Fokussieroptik (1400) relativ zu dem Material (1100) so angeordnet ist, dass die gepulste fokussierte Laserstrahlung (1310) auf das Material (1100) des Körpers (1101 ) eingestrahlt wird, wherein the focusing optics (1400) is arranged relative to the material (1100) such that the pulsed focused laser radiation (1310) is irradiated onto the material (1100) of the body (1101),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Fokussieroptik(1400) relativ zu dem Material so angeordnet ist, dass Strahlen (1311 -1314) der fokussierten gepulsten Laserstrahlung (1310), die beim the focusing optic (1400) is arranged relative to the material such that the beams (1311 - 1314) of the focused pulsed laser radiation (1310) that are incident upon the
Einstrahlen auf den Körper (1101 ) auf eine Oberfläche (1150) des Materials (1400) des Körpers (1 101 ) gerichtet sind, mit der Oberfläche (1150) am Auftreffpunkt einen Winkel (ß) einschließen, welcher kleiner oder gleich dem ganzen Öffnungswinkel (Qmax) der Fokussieroptik (1400) ist. Irradiating the body (1101) onto a surface (1150) of the material (1400) of the body (10110), with the surface (1150) at the point of impact forming an angle (β) which is less than or equal to the full aperture angle (11). Q max ) of the focusing optics (1400).
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7649153B2 (en) * 1998-12-11 2010-01-19 International Business Machines Corporation Method for minimizing sample damage during the ablation of material using a focused ultrashort pulsed laser beam
US20120268939A1 (en) * 2010-01-20 2012-10-25 Moshe Finarov Method of laser processing
US20130238022A1 (en) * 2010-05-04 2013-09-12 Jeffrey M. Gross Self-Retaining Systems Having Laser-Cut Retainers
US20140239552A1 (en) * 2013-02-23 2014-08-28 Raydiance, Inc. Shaping of brittle materials with controlled surface and bulk properties

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7649153B2 (en) * 1998-12-11 2010-01-19 International Business Machines Corporation Method for minimizing sample damage during the ablation of material using a focused ultrashort pulsed laser beam
US20120268939A1 (en) * 2010-01-20 2012-10-25 Moshe Finarov Method of laser processing
US20130238022A1 (en) * 2010-05-04 2013-09-12 Jeffrey M. Gross Self-Retaining Systems Having Laser-Cut Retainers
US20140239552A1 (en) * 2013-02-23 2014-08-28 Raydiance, Inc. Shaping of brittle materials with controlled surface and bulk properties

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
G. CHENG ET AL., OPT LETT., vol. 38, 2013, pages 1924 - 1926
K MISHCHIK ET AL., OPT. EXPRESS, vol. 18, 2010, pages 24809
VON ROD TAYLOR ET AL., LASER & PHOTON. REV., vol. 2, no. 1-2, 2008, pages 26 - 46

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