DE10222491A1

DE10222491A1 - Verfahren zur gezielten Erzeugung von Brechzahlmodifikationen im Volumen transparenter Materialien mittels Laserstrahlung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10222491A1
Application number: DE2002122491
Authority: DE
Inventors: Stefan Nolte; Matthias Will; Andreas Tuennermann
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2003-11-27

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, mit Laserstrahlung definierte Brechzahlmodifikationen in weitgehend beliebigen für Licht transparenten Materialien zu erzeugen, ohne dass auf Grund der Bestrahlungswirkung im Material hervorgerufene unerwünschte Brechzahlveränderungen auftreten. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Laserstrahlung mit einer auf die Brechzahlmodifikation wirkenden Überlagerung von Materialbearbeitungszonen nicht auf das jeweilige Materialareal für die beabsichtigte Brechzahlmodifikation gerichtet, sondern auf dessen Umgebungsbereich. Der laserbestrahlte Bereich ist jeweils durch einen Pfeil symbolisiert. DOLLAR A Die Erfindung findet beispielsweise Anwendung in der optischen Datenspeicherung sowie in der integrierten Optik (wellenleitende Strukturen, Verzweiger, Koppler, Modulatoren etc.).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten Erzeugung von Brechzahlmodifikationen im Volumen transparenter Materialien mittels Laserstrahlung und Vorrichtungen zur vorteilhaften Durchführung des Verfahrens.
Die Erzeugung von Brechzahlmodifikationen in transparenten Materialien ist für viele Anwendungen von großem Interesse. Dazu zählen neben der optischen Datenspeicherung insbesondere Anwendungen in der integrierten Optik (beispielsweise wellenleitende Strukturen, Verzweiger, Koppler, Modulatoren etc.). Derzeit werden solche Strukturen vorwiegend durch Ionenaustausch, Ionendiffusion, Laserbestrahlung spezieller photorefraktiver Materialien oder lithographische Verfahren hergestellt (z. B. W. Karthe, R. Müller: "Integrierte Optik", Leipzig, Akadem. Verlagsges. Geest & Portig, 1991, ISBN 3- 321-000080-6). Alle diese Verfahren sind jedoch auf die Erzeugung von zweidimensionalen Strukturen beschränkt.
Im Jahre 1996 wurde gezeigt, dass sich mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse permanente Brechzahlmodifikationen lokal im Volumen von Gläsern erzeugen lassen (K. M. Davis, K. Miura, N. Sugimoto, and K. Hirao: "Writing waveguides in glass with a femtosecond laser", Opt. Lett. 21, 1996, 1729). Dies eröffnet die Möglichkeit, nunmehr auch dreidimensionale Wellenleiterstrukturen zu realisieren.
Werden intensive ultrakurze Laserpulse in das Volumen optisch transparenter Materialien fokussiert, so kommt es bei geeigneten Parametern im Fokus zur Absorption der Laserstrahlung durch Multiphotonen- und/oder Avalancheprozesse. Bei hinreichend geringer linearer Absorption lässt sich die Energie somit lokal im Fokusbereich deponieren. In der Folge kommt es zu lokalen Struktur- und Brechungsindexmodifikationen. Als mögliche Ursachen für die Brechungsindexänderungen werden derzeit Farbzentren, Materialverdichtung oder thermo-mechanischer Stress diskutiert.
Durch Bewegen der Probe relativ zum Laserstrahl (vgl. Fig. 1) lassen sich ausgedehnte Bereiche mit modifizierter Brechzahl erzeugen und dadurch schließlich auch wellenleitende Strukturen generieren. Dabei kann die Probe im Wesentlichen senkrecht oder parallel zur Laserstrahlachse verschoben werden. Die Größe der Brechzahlmodifikationen und die daraus resultierenden Wellenleitungseigenschaften hängen von den Parametern der Laserstrahleinwirkung im Material ab. Dies betrifft neben der Pulsenergie und der Fokussierungsgeometrie auch die Verfahrgeschwindigkeit der Probe bzw. die Repetitionsrate des Lasers.
Die Möglichkeit, im Materialbearbeitungsareal der Laserstrahlung gewünschte Brechzahlerhöhungen ohne nachteilige Beeinflussung anderer (benachbarter) Bereiche (störende Brechzahlveränderungen) hervorzurufen, ist aber auf wenige Materialien, wie beispielsweise Quarzglas, beschränkt. Während sich bei diesen Materialien mit entsprechenden Parametern der Lasermaterialbearbeitung eine gewünschte Brechzahlerhöhung im laserbestrahlten Areal erreichen lässt, zeigen andere Materialien möglicherweise auf Grund der durch die Lasereinwirkung entstehenden Druck- und Stressverteilungen unerwünschte Brechzahlveränderungen, welche in Bezug auf den bestimmungsgemäßen Einsatz des laserbehandelten Materials, insbesondere in seiner Eigenschaft als Wellenleiter, sehr störend sein kann, da das eingekoppelte Licht dann in Bereichen außerhalb der Laserbestrahlungsareale geführt wird und somit unerwünschte Strahlgeometrien erzeugt werden. Fig. 2 zeigt beispielhaft die Mikroskopaufnahme eines Wellenleiters in kristallinem Quarz, wobei im Polarisationskontrast das laserbestrahlte Areal dunkel erscheint, was auf Streuung, Absorption oder einen abgesenkten Brechungsindex hinweist. Deutlich sichtbar sind aber auch im Polarisationskontrast hell erscheinende Zonen mit unerwünschter Brechzahlerhöhung außerhalb des Laserbestrahlungsareals, die möglicherweise durch die entstandenen Druck- und Stressverteilungen hervorgerufen wurden und, wie gesagt, sehr störend wirken können.
Andererseits kann jedoch eine Lichtführung gerade in nicht direkt mit dem Laser bestrahlten Bereichen durchaus vorteilhaft sein, weil dort weniger Defekte existieren als in dem direkten lasermodifizierten Bereich und sich daher geringere Dämpfungswerte ergeben können. Hinzu kommt, dass bei kristallinem Material im Laserfokus eine Amorphisierung stattfindet. Sollen die kristallinen Materialeigenschaften jedoch ausgenutzt werden, so ist nur eine definierte und störungsfreie Lichtleitung in dem nicht laserbestrahlten kristallinen Bereich verwertbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit Laserstrahlung definierte Brechzahlmodifikationen in weitgehend beliebigen für Licht transparenten Materialien zu erzeugen, ohne dass auf Grund der Bestrahlungswirkung im Material hervorgerufene unerwünschte Brechzahlveränderungen auftreten.
Erfindungsgemäß wird durch die Laserstrahlung nicht, wie gewohnt, unmittelbar das Materialareal für die beabsichtigte Brechzahlmodifikation bestrahlt, sondern die Laserstrahlung wird auf den Umgebungsbereich des besagten Materialareals gerichtet. Dabei wird die Laserstrahlung derart auf einen oder mehrere Punkte bzw. einen/mehrere ausgedehnte Bereiche in der Umgebung des zu modifizierenden Materialareals gerichtet, dass sich die Wirkungen dieser Bestrahlungen in dem zu modifizierenden Materialareal überlagern und dadurch dort die gewünschte Brechzahländerung hervorrufen. Die Bestrahlung der Umgebungsbereiche kann dabei gleichzeitig oder nacheinander erfolgen. Auch kann die Bestrahlung mit einem oder mehreren Laserstrahlen auf den Rand bzw. die Peripherie des Materialareals für die beabsichtigte Brechzahlmodifikation erfolgen und dabei sehr variabel sein sowie vor allem besonders auf den Laserbearbeitungseffekt in Abhängigkeit der Materialeigenschaften sowie der Parameter für die Laserbearbeitung zugeschnitten werden. Damit sind sehr spezielle Laserbearbeitungen möglich, die auch in Materialien, wie beispielsweise Quarz, welche bislang die vorbeschriebenen störenden Materialveränderungen zeigten, Brechzahlmodifikationen ohne diese störenden Nebeneffekte erlauben.
Für eine Relativbewegung des Bearbeitungsobjektes parallel zum Laserstrahl ist dabei ein Ringfokus der Laserstrahlung in der Ebene senkrecht zur Bewegungsachse vorteilhaft. Die Laserstrahlung wird ringförmig auf die Peripherie des Materialareals für die beabsichtigte Brechzahlmodifikation fokussiert. Im Zentrum des Ringfokus, in welchem keine Laserstrahlung auftritt, also im Mittelpunkt des besagten Materialareals für die beabsichtigte Brechzahlmodifikation, kommt es durch die Fokusgeometrie zum stärksten Druckanstieg im Material und damit zur höchsten Brechzahlmodifikation.
Bei einer Relativbewegung des Bearbeitungsobjektes transversal zur Strahlungsrichtung erweist sich ein Mehrfachfokus, beispielsweise zwei auf die gegenüberliegenden Randpunkte des Materialareals für die beabsichtigte Brechzahlmodifikation gerichtete Foki (Doppelfokus), mit definierten Abstand als zweckmäßig, wobei die bei der besagten Relativbewegung von dem Doppelfokus gebildete Achse im Wesentlichen senkrecht zur Strahlungsrichtung der Laserstrahlung (Schreibrichtung) verläuft. Die Mehrfachfoki können dabei sowohl durch separate Strahlerzeugungssysteme oder durch entsprechende optische Elemente, wie Keilplatten und Linsen, aus einem einzigen Laserstrahl gebildet werden.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie von Anordnungen zur Verfahrensdurchführung genannt.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 schematische Darstellungen von Vorrichtungen zur parallelen (Fig. 1a) und transversalen (Fig. 1b) Brechzahlmodifikation mittels Laserstrahlbearbeitung
Fig. 2 Mikroskopaufnahme (Querschnitt) eines auf bekannte Weise im kristallinen Quarz erzeugten Wellenleiters mit unerwünschten Brechzahlveränderungen
Fig. 3 Gegenüberstellung bekannter und erfindungsgemäßer Lasereinwirkung anhand der ortsaufgelösten Brechzahlmodifikation
Fig. 4 Laserstrahlung mit ringförmiger Intensitätsverteilung (Doughnut) für Brechzahlmodifikationen in paralleler Relativbewegung zwischen Laserstrahlung und Bearbeitungsobjekt
Fig. 5, 6 Laserstrahlung mit Doppelfokus für Brechzahlmodifikationen in transversaler Relativbewegung zwischen Laserstrahlung und Bearbeitungsobjekt
In Fig. 1 sind zwei an sich bekannte Vorrichtungen zur Brechzahlmodifikation mittels Laserstrahlbearbeitung schematisch dargestellt. Ein Laserstrahl 1 wird jeweils über ein Objektiv 2 auf ein Bearbeitungsareal 3 bzw. 4 eines Bearbeitungsobjektes 5 bzw. 6 fokussiert, wobei das Material des Bearbeitungsobjektes 5 bzw. 6 eine Brechzahlmodifikation erfährt. In Fig. 1a wird das Bearbeitungsobjekt 5 transversal zum fokussierten Laserstrahl bewegt (Bewegung in x-Richtung), wodurch eine linienförmige brechzahlspezifische Struktur 7 im Bearbeitungsobjekt 5 "geschrieben" wird.
Bei Fig. 1b wird das Bearbeitungsobjekt 6 parallel zum fokussierten Laserstrahl bewegt. Durch diese Bewegung in z-Richtung entsteht im Bearbeitungsobjekt 6 eine linienförmige brechzahlspezifische Struktur 8.
Fig. 2 zeigt beispielhaft die Mikroskopaufnahme einer an sich bekannten laserinduzierten Brechzahlmodifikation in kristallinem Quarz, wobei im Polarisationskontrast das laserbestrahlte Areal 9 im Zentrum der Mikroskopaufnahme dunkel erscheint. Deutlich sichtbar sind aber auch im Polarisationskontrast rechts und links neben dem laserbestrahlten Areal 9 zwei hell erscheinende Zonen 10, 11 mit unerwünschter Brechzahlveränderung, die möglicherweise durch die entstandenen Druck- und Stressverteilungen hervorgerufen wurden und für den bestimmungsgemäßen Einsatz des dargestellten Wellenleiters störend sein können.
In Fig. 3 sind schematisch die bei unterschiedlichen Materialien auftretenden Brechzahlverteilungen (Brechzahl n) im Querschnitt durch die modifizierten Bereiche dargestellt. Der laserbestrahlte Bereich ist jeweils durch einen Pfeil symbolisiert. In Fig. 3a ist ein Brechzahlverlauf skizziert, wie er bekannter Weise zur Erzeugung eines Wellenleiters gewünscht ist und z. B. in Quarzglas durch die Bestrahlung mit ultrakurzen Laserpulsen erzeugt wird. Dagegen zeigen Fig. 3b und 3c unerwünschte Brechzahlmodifikationen, die insbesondere für das gezielte Erzeugen von Wellenleitern störend wirken können. Durch die erfindungsgemäße Bestrahlung (Fig. 3d) mehrerer Bereiche (in diesem Ausführungsbeispiel zwei Bereiche) außerhalb des zu modifizierenden Bereiches und im festgelegten Abstand zueinander überlagern sich aber bei solchen Materialien und Bearbeitungsparametern die Brechungsindexmodifikationen derart, dass eine bestimmungsgemäße Brechzahlmodifikation erzeugt und dadurch beispielweise eine bestimmungsgemäße Ausbildung eines Wellenleiters ermöglicht wird. Die in Fig. 3d skizzierte Brechungsindexverteilung ist durch Überlagerung der Brechungsindexverteilungen (vgl. Fig. 3b) entstanden.
In Fig. 4 wird als Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem Laserstrahl 1 über eine Strahlformungsoptik 12, beispielsweise eine aus Übersichtsgründen nicht näher dargestellte an sich bekannte diffraktive Optik, in einem Bearbeitungsobjekt 13, welches in z- Koordinatenrichtung (parallel zur Achse des Laserstrahls 1) bewegt wird, eine ringförmige Laserintensitätsverteilung 14 (ein sog. Doughnut) zur Lasermaterialbearbeitung erzeugt.
Mit dieser ringförmigen Laserintensitätsverteilung 14 wird die Brechzahl des Materials vom Bearbeitungsobjekt 13 derart verändert, dass im Zentrum der ringförmigen Laserintensitätsverteilung 14 die bestimmungsgemäße Brechzahlmodifikation bewirkt wird, um dieses zentrale Areal der bestimmungsgemäßen Brechzahlmodifikation herum jedoch keine nennenswerten unerwünschten Brechzahlveränderungen (vgl. Zonen 10, 11 in Fig. 2) auftreten. Mit der besagten und in Fig. 4 durch einen Pfeil angedeuteten z-Koordinatenbewegung des Bearbeitungsobjektes 13 relativ zur ringförmigen Laserintensitätsverteilung 14 wird im Bearbeitungsobjekt 13 eine linienförmige Struktur 15 modifizierter Brechzahl, beispielsweise zur Verwendung als optischer Wellenleiter, erzeugt.
Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Laserstrahl 1 wird über eine optische Keilplatte 16 und eine Linse 17 zu einem Laser-Doppelfokus 18 gebündelt, der in einem Bearbeitungsobjekt 19 in den zwei Arealen des Laser-Doppelfokus 18 jeweils eine Lasermaterialbearbeitung derart bewirkt, dass im Zentrum zwischen den beiden Bearbeitungsarealen des Laser-Doppelfokus 18 eine bestimmungsgemäße Brechzahlmodifikation des Material vom Bearbeitungsobjekt 19 hervorgerufen wird, ohne dass wiederum in dessen Umgebung eine unerwünschte Brechzahländerung gegeben ist. Mit der ebenfalls durch einen Pfeil angedeuteten y-Koordinatenbewegung des Bearbeitungsobjektes 15 senkrecht zur Achse des Laserstrahls 1 wird im Bearbeitungsobjekt 19 eine linienförmige Struktur 20 "geschrieben".
Fig. 6 zeigt ebenfalls die Bündelung des Laserstrahls 1 zu dem Laser-Doppelfokus 18 über die kombinatorische Anordnung von Keilplatte und Linse, wobei jedoch eine im Vergleich zu Fig. 5 in der Form anders ausgebildete Keilplatte 21 der Linse 17 vorgelagert ist. Die Funktionsweise ist dieselbe wie zu Fig. 5 beschrieben. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Laserstrahl
2 Objektiv
3, 4 Bearbeitungsareal
5, 6, 13, 19 Bearbeitungsobjekt
7, 8, 15, 20 Struktur
9 laserbestrahltes Areal
10, 11 Zone mit unerwünschter Brechzahlveränderung
12 Strahlformungsoptik
14 ringförmige Laserintensitätsverteilung
16, 21 optische Keilplatte
17 Linse
18 Laser-Doppelfokus
n Brechzahl

Claims

1. Verfahren zur gezielten Erzeugung von Brechzahlmodifikationen im Volumen transparenter Materialien mittels Laserstrahlung, insbesondere zur Bearbeitung von Materialien, bei denen, beispielsweise aus Gründen der durch die Laserstrahlung im Material entstehenden sog. Druck- bzw. Stressverteilung, die Gefahr von unerwünschten Brechzahlveränderungen gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung mit einer auf die Brechzahlmodifikation wirkendenden Überlagerung von Materialbearbeitungszonen nicht auf das jeweilige Materialareal für die beabsichtigte Brechzahlmodifikation gerichtet ist, sondern auf dessen Umgebungsbereich.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung in einer ringförmigen Fokussierung auf die Peripherie des Materialareals für die beabsichtigte Brechzahlmodifikation gerichtet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Relativbewegung zwischen Material und Laserstrahlung die ringförmige Fokussierung in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsachse dieser Relativbewegung liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung durch mindestens zwei Strahlungsfoki auf den Randbereich des Materialareals für die beabsichtigte Brechzahlmodifikation gerichtet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsfoki jeweils durch unterschiedliche Laseranordnungen erzeugt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsfoki durch örtlich getrennt fokussierende optische Mittel eines Laserstrahls erzeugt werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Strahlformungsoptik (2, 12, 16, 17) vorgesehen ist, welche die Laserstrahlung (1) auf die Umgebung des jeweiligen Materialareals für die beabsichtigte Brechzahlmodifikation fokussiert.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7 zur Durchführung der Verfahren nach Ansprüchen 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl (1) vorgesehen ist, in dessen Strahlengang eine Strahlformungsoptik, beispielsweise eine diffraktive bzw. spezielle refraktive Optik (12) oder ein Axikon in Kombination mit einem fokussierenden Element, wie eine Linse, zur ringförmigen Fokussierung (14) des Laserstrahls (1) angeordnet ist.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 7 zur Durchführung der Verfahren nach Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl (1) vorgesehen ist, in dessen Strahlengang eine Strahlformungsoptik (17, 18) zur Erzeugung von mindestens zwei Strahlungsfoki (18) des Laserstrahls (1) angeordnet ist.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik zur Erzeugung von zwei Strahlungsfoki (18) des Laserstrahls (1) aus einer Keilplatte (16) und einer Linse (17) besteht.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 7 zur Durchführung der Verfahren nach Ansprüchen 2 oder 4 sowie 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Laserstrahlen mit jeweils separater Strahlformungsoptik zur Strahlfokussierung vorgesehen sind.