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Projekte - Detailansicht

B03 - Polymerprozessierung mit fs-Laserstrahlung

Leitung:Prof. Morgner und Dr. Reinhardt
Bearbeitung:Welm Pätzold und Urs Zywietz
Laufzeit:2013-2016
Förderung durch:DFG

Mitte der neunziger Jahre wurde erstmals demonstriert, dass Materialien auf der Mikrometerskala mittels Femtosekundenlasern bearbeitet werden können. Seitdem hat diese Technologie enorme Fortschritte gemacht und heutzutage sind nanometergenaue Materialmodifikationen möglich. Ein besonders interessanter Aspekt ist die Brechungsindexmodifikation in transparenten Materialien: Wird der Brechungsindex im Vergleich zum umgebenden Material erhöht lassen sich so lokale Lichtwellenleiterstrukturen erzeugen. Das Schreiben von Wellenleitern in Gläsern wurde bereits intensiv erforscht, doch der Übertrag dieser Technologie auf Polymere gestaltet sich bisher schwierig, da die Polymermatrix nicht die gleiche Langzeitstabilität aufweist wie Glas, was zu einem ausbleichen der Wellenleiterstrukturen führt, bis an einen Punkt an dem diese nicht mehr funktionieren. Deswegen wird Glas als Werkstoff häufig bevorzugt. Allerdings bieten Polymere aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften Anwendungsmöglichkeiten, die mit Glas nicht zu realisieren sind. So ist zum Beispiel vorstellbar Wellenleiterstrukturen in eine Folie zu schreiben und dieses flexible Material anschließend auf eine beliebig geformte Oberfläche aufzubringen.

Ein weiteres Verfahren zur Realisierung von Wellenleiterstrukturen in Polymeren bietet die Zwei-Photonen-Polymerisation oder kurz 2PP. Dieses Laserdirektschreibverfahren wurde bereits 1992 demonstriert und diente zunächst zur Herstellung verschiedener dreidimensionaler Mikrostrukturen. Bei der 2PP-Technologie wird der Strahl eines Kurzpulslasers in das Volumen eines Polymers fokussiert. Im Gegensatz zur vorher beschriebenen Materialmodifikation wird hier nun über eine Zweiphotonenanregung ein Polymerisationsprozess von Monomeren oder ein Quervernetzungsprozess von Polymeren für die Strukturerzeugung ausgenutzt. Mit der Weiterentwicklung geeigneter Material- und Lasersysteme wurde diese Methode seit 1997 für die Realisierung dreidimensionaler photonischer Kristallstrukturen eingesetzt. Der nichtlineare Charakter der 2PP erlaubt die Herstellung beliebiger, computergenerierter 2D- und 3D-Strukturen mit Auflösungen bis unter 100 nm. Trotz dieses viel versprechenden Potentials wurde diese Technologie zunächst kaum zur Herstellung optischer Wellenleiter verwendet, da keine Wellenleiterdimensionen im Submikrometerbereich gefordert waren.

Erst 2006 wurden mit der 2PP-Technologie erstmals Polymerwellenleiter auf dünnen Metallfilmen hergestellt, die als Wellenleiter für Oberflächenplasmonen dienen. Hierbei kommt es sehr darauf an, die Wellenleiterdimensionen, also Durchmesser, Höhe und Form im Bereich unterhalb von 1 µm gut zu kontrollieren, da zu große Dimensionen recht schnell zur Ausbildung höherer Wellenleitermoden führen. Mit der 2PP-Technologie konnten bereits eine Reihe optischer Elemente, deren Strukturgrößen im Mikrometerbereich liegen, hergestellt werden.

Bei den zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten von Wellenleiterstrukturen in Polymeren kann es sich, abhängig vom Polymermaterial, um ultraschnelle optische oder elektrooptische Schaltelemente, logische optische Elemente, kompakte Sensoren oder kompakte Polymerlaserverstärker handeln. Zur Realisierung solcher optisch aktiven Wellenleiterstrukturen ist neben der Entwicklung innovativer Polymere und Polymersysteme mit verbesserter Langzeitstabilität oder neuartigen optischen Eigenschaften insbesondere eine universelle Technologie für die flexible und kostengünstige Bearbeitung dieser Werkstoffe nötig. Das Erzeugen von Wellenleitern mittels Femtosekundenlaserstrahlung bietet dabei mehrere Vorteile gegenüber anderen Methoden. Zum einen ist sie nicht limitiert auf eine Ebene, mit Hilfe von computerkontrollierten Verschiebetischen ist eine Materialbearbeitung entlang nahezu beliebiger dreidimensionaler Pfade möglich, zum anderen ist diese Technologie unempfindlich gegenüber der Umgebung, da die Materialmodifikation direkt im Medium stattfindet. Es sind also keine Reinraumbedingungen notwendig.

In diesem Teilprojekt wird an der Entwicklung und Bereitstellung von Fertigungstechnologien für die Herstellung von qualitativ hochwertigen 2D und 3D optischen Wellenleitern und Wellenleitersystemen in verschiedenen Polymerwerkstoffen gearbeitet. Die Basis für die vorgeschlagenen Technologien bilden die beiden oben beschriebenen, nichtlinearen laserlithographischen Strukturierungsmethoden mittels Femtosekundenlasern:

  • Das dreidimensionale Einschreiben von Wellenleitern in das Volumen von Polymeren durch Materialmodifikation, analog dem Wellenleiterschreiben in Gläsern.

  • Die dreidimensionale Strukturierung von Wellenleitern in Kunststoffen durch Zwei-Photonen-Polymerisation.

Zusammen ermöglichen sie die Wellenleiterherstellung in verschiedenen Materialsystemen, die von einem Verfahren allein nicht abgedeckt werden können. Im Fokus der Untersuchungen stehen dreidimensionale Wellenleiter vom Typ I und Typ II, wobei die Wellenleitung entweder direkt im modifizierten Material (Typ I) oder zwischen mehreren modifizierten Materialregionen (Typ II) stattfindet. Zusätzlich soll das 2PP-Verfahren auch zur Herstellung von zweidimensionalen Wellenleiter- und Gitterstrukturen auf planaren, flexiblen Substraten eingesetzt werden. Um eine optimale Funktionalität der Komponenten zu erreichen, werden zusätzlich Computersimulationen durchgeführt, die es ermöglichen, geeignete Wellenleitergeometrien für verschiedene Materialsysteme herzustellen. Das 2PP-Verfahren kann ebenso für die Herstellung dreidimensionaler Wellenleiter eingesetzt werden.

Nanoporöse Materialien, wie etwas Polydimethoxysiloxan (PDMS), können mit geeigneten Monomeren durchtränkt werden. Komplementär zur Brechungsindexmodifikation in Gläsern und Polymeren kann mit der 2PP-Technologie Laserstrahlung tief in das Volumen einer solchen nanoporösen Matrix fokussiert werden, wodurch die Monomere in drei Dimensionen polymerisiert werden können.

Die mit den vorgestellten Methoden hergestellten Wellenleiter sollen anschließend optisch charakterisiert und im Verhalten auf verschiedene Einkopplungsmethoden untersucht werden. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern sollen Polymermikrostrukturen realisiert werden, die als Strahlteiler, Wavelength Division Multiplexer (WDM), Arrayed Waveguide Gratings (AWGs), Interferometer und planare Sensorprototypen eingesetzt werden können. Die hohe Präzision und Flexibilität der vorgeschlagenen Methoden erlauben einen hohen Integrationsgrad, wodurch langfristig das schnelle Realisieren neuartiger Prototypen optischer Schaltkreise auf kleinsten Flächen möglich wird.

 

 

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