DE19711049C1 - Method of manufacturing spatial microstructures in transparent materials by laser radiation e.g. for 3-D optical data storage - Google Patents

Abstract

The method involves generating structures by non-linear optical effect of self-focussing (SV) a laser beam (LS) in the material (P). The size of the focus of the laser beam on the surface of the material is set according to the material to be structured. The intensity of the laser beam is kept below the threshold of surface modification and above the critical intensity at which the self-focussing starts in the vol. The depth position of the structure to be generated is determined by the pulse length and/or the pulse energy.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von räumlichen Mikrostrukturen in transparenten Materialien mittels Laserbestrahlung, bei dem durch den nichtlinearen optischen Effekt der Selbstfokussierung im Volumen dieser Materialien derartige Strukturen erzeugt werden.The invention relates to a method for producing spatial Microstructures in transparent materials using laser radiation, at due to the nonlinear optical effect of self-focusing in the Volume of these materials such structures are generated.

Verfahren zur räumlichen Strukturierung von transparenten Materialien wurden gerade in den letzten Jahren entwickelt, um immer bessere Möglichkeiten für eine effektive dreidimensionale optische Datenspeicherung zu schaffen, d. h. gezielt eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften (Brechungsindex, Transmission) des Materials zu bewirken. Unter Strukturierung wird die Modifikation des Materials bei der Laserbestrahlung verstanden, die zu einer Änderung der optischen Eigenschaften führt.Process for the spatial structuring of transparent materials have just been developed in recent years to keep getting better Possibilities for an effective three-dimensional optical data storage to create d. H. targeted a local change in the optical properties (Refractive index, transmission) of the material. Under Structuring is the modification of the material during laser irradiation understood, which leads to a change in the optical properties.

Bei einem Quasi-3D-Verfahren, das in "Spektrum der Wissenschaft", Januar 1996, 50-56 beschrieben ist, wird die Oberfläche eines transparenten Materials wie bei der Herstellung einer CD (Compact Disk) bearbeitet, anschließend eine neue transparente Schicht aufgetragen, bearbeitet usw. Das Auslesen der so mehrlagig eingeschriebenen Informationen in den verschiedenen Ebenen erfolgt über einen höhenverstellbaren Laserkopf.In a quasi-3D process, which is in "Spectrum of Science", January 1996, 50-56, the surface is transparent Material processed like in the production of a CD (compact disk), then applied a new transparent layer, processed, etc. The reading out of the information so inscribed in multiple layers in the different levels are made using a height-adjustable laser head.

In "APPLIED OPTICS", Vol. 34, No. 20, 10. July 1995, 4105-4110 ist eine 3D- Strukturierung von bestimmten dotierten Materialien unter Ausnutzung des photorefraktiven Effekts beschrieben. Hierbei wird auf das zu bearbeitende Material ein Laserstrahl gerichtet. Diese Anregung bewirkt in dem Material, daß Elektronen aus der äußeren Schale der bestrahlten Dotieratome in unbestrahlte Bereiche abwandern. Das daraus resultierende elektrische Feld führt zu einer lokalen Brechungsindexänderung. Durch scharfe Fokussierung des Laserstrahls in das Material kann auf diesem Wege eine dreidimensionale Strukturierung erreicht werden, wobei die Größe der Modifikation im wesentlichen nur von der Fokusgröße abhängt. Hierbei ist aber der Aufwand für die Optik erheblich, um Strukturen < 1 µm erzeugen zu können. Außerdem muß die Fokussieroptik höhenverstellbar sein, um die Tiefe der Modifikation im Material einstellen zu können.In "APPLIED OPTICS", vol. 34, no. 20, July 10, 1995, 4105-4110 is a 3D Structuring of certain doped materials using the described photorefractive effect. Here the focus is on what is to be processed Material directed a laser beam. This excitation causes in the material  that electrons from the outer shell of the irradiated doping atoms in migrate unexposed areas. The resulting electric field leads to a local refractive index change. Through sharp focus the laser beam into the material can be a three-dimensional structuring can be achieved, the size of the Modification essentially depends only on the focus size. Here is but the effort for the optics considerably to produce structures <1 µm can. In addition, the focusing optics must be adjustable in height in order to To be able to adjust the depth of the modification in the material.

Die gleichen Nachteile weist ein anderes Verfahren auf, bei dem in einem in eine Polymermatrix eingebetteten photochromen Material eine Zweiphotonenabsorption nach gleichzeitiger Bestrahlung mit zwei Laserstrahlen gleicher oder unterschiedlicher Wellenlänge und deren Wechselwirkung mit dem Material erfolgt. Bei entsprechend intensiver Laserstrahlung führt die gleichzeitige Absorption von zwei Photonen zu einer Farbänderung des Materials an der bestrahlten Stelle. Ein solches Verfahren ist in SPIE, Vol. 2604, 23-32 beschrieben.Another method has the same disadvantages, in which in one a polymer matrix embedded photochromic material Two-photon absorption after simultaneous irradiation with two Laser beams of the same or different wavelengths and their Interaction with the material takes place. With correspondingly more intense Laser radiation leads to the simultaneous absorption of two photons into one Color change of the material at the irradiated area. Such a process is described in SPIE, Vol. 2604, 23-32.

Mittels holographischer Verfahren, die ebenfalls auf einer Änderung des Brechungsindexes beruhen, werden einem geeigneten Material (z. B. dotiertem LiNbO₃) mit Hilfe eines Referenzstrahls die im Signalstrahl aufgeprägte Information eines Bildes oder zweidimensionalen Bitmusters in einem Phasengitter eingeschrieben (siehe beispielsweise "Laser Focus World", November 1996, 81-93 und "International Journal of Nonlinear Optical Physics", Vol. 3, No. 3(1994), 317-337). Dabei wird das Muster nicht als Bild, sondern als Phasenbild aufgrund des lokal geänderten Brechungsindexes gespeichert. Diese Speicherung erfolgt im gesamten bestrahlten Kristall. Das Auslesen der Informationen erfolgt in gleicher Weise wie das Schreiben: Ein Laserstrahl wechselwirkt im Material genau unter denselben Bedingungen wie beim Einschreiben der Information (derselbe Winkel zwischen den Strahlen, gleiche Wellenlänge und Intensität). Dadurch wird die im Medium gespeicherte Phaseninformation wiederum in ein zweidimensionales Bild umgewandelt und kann z. B. mit einer CCD-Kamera ausgelesen werden. Diese holographischen Verfahren erfordern einen erheblichen apparativen Aufwand zum Schreiben, aber auch zum Auslesen der gespeicherten Information, da die beiden Laserstrahlen zum einen mit einer Winkelgenauigkeit von < 0,0001° zusammengeführt werden müssen und zum anderen für die Erzielung einer hohen Informationsdichte der Winkelbereich in weiten Grenzen mit der oben angegebenen Winkelgenauigkeit schnell variierbar sein muß.By means of holographic processes, which are also based on a change in the refractive index, the information of an image or two-dimensional bit pattern imprinted in the signal beam is written into a phase grating in a suitable material (e.g. doped LiNbO ₃ ) with the aid of a reference beam (see for example "Laser Focus World ", November 1996, 81-93 and" International Journal of Nonlinear Optical Physics ", Vol. 3, No. 3 (1994), 317-337). The pattern is not saved as an image, but as a phase image due to the locally changed refractive index. This storage takes place in the entire irradiated crystal. The information is read out in the same way as the writing: A laser beam interacts in the material under exactly the same conditions as when the information was written (the same angle between the beams, same wavelength and intensity). This in turn converts the phase information stored in the medium into a two-dimensional image. B. can be read with a CCD camera. These holographic methods require considerable equipment for writing, but also for reading out the stored information, since the two laser beams have to be brought together with an angular accuracy of <0.0001 ° on the one hand and the angular range in a wide range on the other to achieve a high information density Limits with the angular accuracy given above must be able to be varied quickly.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist einer Vortragsankündigung in den "Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft - Frühjahrstagung Mainz 1997", 3/97, 220 zu entnehmen. Hier wird unter dem Titel "Einfluß selbstfokussierender Effekte bei der Laser- Mikrostrukturierung" die lasergestützte Bearbeitung transparenter Materialien u. a. zur Erzeugung von Mikrostrukturen im Materialinnern durch den nichtlinearen Effekt der Selbstfokussierung erwähnt, ohne jedoch schon konkrete Angaben und Bedingungen für die erfolgreiche Durchführung der Mikrostrukturierung zu nennen.The prior art on which the invention is based is one Lecture announcement in the "Negotiations of the German Physical Society - Spring Conference Mainz 1997 ", 3/97, 220. Here is entitled "Influence of self-focusing effects in laser Microstructuring "the laser-assisted processing of transparent materials u. a. for the production of microstructures inside the material by the non-linear effect of self-focusing mentioned, but without concrete information and conditions for the successful implementation of the To call microstructuring.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von räumlichen Mikrostrukturen in transparenten Materialien mittels Laserbestrahlung anzugeben, das mit vertretbarem apparativen Aufwand, insbesondere für die Optik, eine derartige Mikrostrukturierung für verschiedene Materialien ohne deren zusätzliche Behandlung ermöglicht.The object of the invention is to provide a method for producing spatial Microstructures in transparent materials using laser radiation specify that with reasonable equipment, especially for the Optics, such a microstructuring for different materials without their additional treatment enables.

Die Aufgabe wird bei einem solchen Verfahren dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß bei einer in Abhängigkeit vom zu strukturierenden Material auf der Materialoberfläche einzustellenden Größe des Fokus des Laserstrahls die Intensität des Laserimpulses unterhalb der Schwelle für die Oberflächenmodifikation und oberhalb der kritischen Intensität, bei der die Selbstfokussierung im Volumen beginnt, und die Tiefenlage der zu erzeugenden Struktur über die Impulslänge und/oder die Impulsenergie eingestellt wird. The object is achieved in such a method in that according to the invention with a depending on the material to be structured size of the focus to be set on the material surface Laser beam the intensity of the laser pulse below the threshold for the Surface modification and above the critical intensity at which the Self-focusing in the volume begins, and the depth of the to generating structure over the pulse length and / or the pulse energy is set.  

Die Erfindung ermöglicht eine räumliche Strukturierung im Innern verschiedener transparenter Materialien, ohne daß diese einer zusätzlichen Behandlung unterzogen werden müssen und deren Oberfläche in ihrer Qualität beeinträchtigt wird.The invention enables spatial structuring inside different transparent materials, without this an additional Must undergo treatment and their surface in their Quality is compromised.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die gewünschte Wirkung nur bei Laserimpulsen von einigen Pikosekunden auftritt. Wird die Länge der Laserimpulse kleiner gewählt, tritt keine oder nur eine unzureichende Selbstfokussierung auf.Surprisingly, it has been found that the desired effect only occurs with laser pulses of a few picoseconds. Will the length of the Laser pulses selected smaller, there is no or only an insufficient one Self-focusing on.

Bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in Abhängigkeit vom zu strukturierenden Material und der Tiefenlage der zu erzeugenden Struktur deshalb die Länge des Laserimpulses zwischen 0,5 ps und 10 ps und seine Energie pro Fläche zwischen 0,1 J/cm² und 8 J/cm² eingestellt und 1 (ein) bis 1000 Schuß auf das Material gerichtet.In embodiments of the method according to the invention, depending on the material to be structured and the depth of the structure to be produced, the length of the laser pulse is between 0.5 ps and 10 ps and its energy per area is between 0.1 J / cm ² and 8 J / cm ² set and 1 (one) to 1000 shots aimed at the material.

Der Effekt der Selbstfokussierung war in bisherigen lasertechnischen Anwendungen unerwünscht, da er die dort zu erzielenden Wirkungen gegenteilig beeinflußt. In der erfindungsgemäßen Lösung wird das Auftreten dieses Effektes hingegen gezielt eingestellt. Dabei hat sich gezeigt, daß je nach Material, dessen inneres Volumen lokal begrenzt modifiziert - also im Sinne der Erfindung strukturiert - werden soll, bei Nichtzerstörung seiner Oberfläche die Größe des Laserstrahls auf dieser Oberfläche derart einzustellen ist, daß die Tiefenlage der zu erzeugenden Struktur über die Impulslänge und/oder die Impulsenergie reguliert werden kann. Damit ist ein Zusammenhang verschiedener Parameter im erfindungsgemäßen Verfahren notwendig, der nicht durch eine funktionelle Abhängigkeit gegeben ist und der je nach zu strukturierendem Material für das hierbei gewünschte Auftreten des Selbstfokussierungseffektes aufgestellt werden muß.The effect of self-focusing was in previous laser technology Applications undesirable because of the effects to be achieved there otherwise affected. The occurrence occurs in the solution according to the invention this effect, however, specifically set. It has been shown that for material whose internal volume is modified locally to a limited extent - i.e. in Structured sense of the invention - should be, if not destroyed Surface the size of the laser beam on this surface like this is to be set so that the depth of the structure to be generated over the Pulse length and / or the pulse energy can be regulated. So that's a Relationship of various parameters in the method according to the invention necessary, which is not given by a functional dependency and depending on the material to be structured for the desired appearance of the self-focusing effect must be set up.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird bei zu strukturierendem Quarz die Fokusfläche des Laserstrahls auf der Quarzoberfläche zwischen 250 µm² und 900 µm² eingestellt. In one embodiment of the invention, the focus area of the laser beam on the quartz surface is set between 250 μm ² and 900 μm ² in the case of quartz to be structured.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht bei Bestrahlung eines transparenten Materials mit einem Laserimpuls, der die oben erwähnten Parameter aufweist und dessen Intensität unterhalb der Modifikationsschwelle für die Oberfläche des Materials aber oberhalb der sogenannten kritischen Intensität für den Beginn der Selbstfokussierung im Material liegt, daß aufgrund des Selbstfokussierungseffektes nunmehr die Energie des Laserimpulses auf einen so kleinen Bereich fokussiert wird, daß die Modifikationsschwelle des Materials überschritten wird. Durch Variation der Impulslänge, der Energie, der Wellenlänge und der Anzahl der Laserimpulse kann die Tiefe und die Ausdehnung der Modifikation im Material definiert eingestellt werden.The method according to the invention enables a transparent material with a laser pulse that the above mentioned Has parameters and its intensity below the Modification threshold for the surface of the material but above that so - called critical intensity for the beginning of self - focusing in the Material lies that due to the self-focusing effect Energy of the laser pulse is focused on such a small area that the modification threshold of the material is exceeded. By variation the pulse length, the energy, the wavelength and the number of Laser pulses can change the depth and extent of the modification Material defined can be set.

Die definierte Tiefe der Modifikation des Materials in seinem Inneren wird - wie bereits erwähnt - durch Änderung der Länge des Laserimpulses und/oder durch Variation der Impulsenergie eingestellt, ohne hierzu eine Höhenverstellung der Optik vornehmen zu müssen.The defined depth of modification of the material inside is - as already mentioned - by changing the length of the laser pulse and / or adjusted by varying the pulse energy without doing so To have to adjust the height of the optics.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zum Einschreiben von Daten verwendet werden. Ein so modifiziertes Material kann als Daten- oder Bildspeicher benutzt werden. Um möglichst viele Informationen, z. B. Bit- Muster, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in einen solchen Datenträger einschreiben zu können, wird der Abstand der einzeln erzeugten lokalen Modifikationen zueinander so gewählt, daß diese auch mit herkömmlichen Mitteln auslesbar sind.The method according to the invention can be used to write data be used. A material modified in this way can be used as a data or Image storage can be used. To get as much information as possible, e.g. B. Bit Pattern, by means of the method according to the invention in such To be able to write data carriers, the distance between the individually generated local modifications to each other so chosen that they also with conventional means are readable.

Das Verfahren ermöglicht eine Modifizierung des Materials in seiner Tiefe mit einer Genauigkeit von besser als 20 µm. Damit sind Daten-/Bildspeicher herstellbar, in denen mit Sicherheitsschichten von 20 µm auf 1 mm Dicke des Materials mindestens 25 Speicherlagen (das entspricht 25 CD's) realisierbar sind, die getrennt ausgelesen werden können.The method enables the depth of the material to be modified an accuracy of better than 20 µm. This is data / image storage producible in which with security layers of 20 µm to 1 mm thickness of the Materials at least 25 storage locations (this corresponds to 25 CDs) can be realized are that can be read out separately.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die Fig. 1 das Prinzip der Strukturierung im Material durch Selbstfokussierung.An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to a drawing. The FIG. 1 shows the principle of patterning in the material by self-focusing.

Die Strahlung eines Kurzpulslasers, dessen Impulslänge variierbar ist, wird durch einen Abschwächer und einen Shutter mit einer Linse auf die zu strukturierende Probe aus Quarz fokussiert. Die Größe des Fokus wird für eine Quarzprobe bei 350 µm² eingestellt. Mit einem Beobachtungssystem wird die Modifikation im Inneren der Quarzprobe beobachtet, mit einem weiteren Beobachtungssystem die Einstellung des Fokus auf der Probenoberfläche gewährleistet. Über die Einstellung der Parameter Fokusgröße, Intensität und Dauer des Laserimpulses wird im Material eine zusätzliche Fokussierung - die gewünschte Selbstfokussierung - hervorgerufen, so daß die Energie pro Fläche in einer bestimmten Tiefenlage der Quarzprobe so ansteigt, daß dort das Material modifiziert wird.The radiation from a short-pulse laser, the pulse length of which can be varied, is focused on the quartz sample to be structured by an attenuator and a shutter with a lens. The size of the focus is set for a quartz sample at 350 µm ² . The modification inside the quartz sample is observed with an observation system, and the adjustment of the focus on the sample surface is ensured with another observation system. By setting the parameters focus size, intensity and duration of the laser pulse, additional focusing - the desired self-focusing - is brought about in the material, so that the energy per surface increases at a certain depth of the quartz sample so that the material is modified there.

Fig. 1 verdeutlicht dieses Prinzip. Dabei ist zu erkennen, daß der fokussierte Laserstrahl LS auf die Oberfläche OF der zu strukturierenden Quarzprobe P gerichtet und eine definierte Größe des Laserstrahlfokus auf der Oberfläche OF eingestellt wird. Ausgehend von dem 350 µm² großen Fokus auf der Oberfläche OF der Quarzprobe P werden nun die Parameter für das Strukturieren verändert. So wurde das erfindungsgemäße Verfahren für die Modifikation durchgeführt, bei denen bei konstanter Impulsenergie von 15 µJ, 20 µJ und 25 µJ jeweils die Schußzahl schrittweise von 10 bis 500 erhöht wird. Die Impulsdauer beträgt dabei 2,4 ps. Bei diesen Parametern wird im Quarz der Selbstfokussierungseffekt gezielt eingestellt und bewirkt im Inneren des Materials durch die zusätzliche Fokussierung der Energie des Laserstrahls (schematisch dargestellt der Strahlverlauf mit Selbstfokussierungseffekt SF und zum Vergleich der Strahlverlauf ohne Selbstfokussierung SV) das Überschreiten der Modifikationsschwelle an dieser Stelle. Damit wird an dieser Stelle MS das Material strukturiert. Fig. 1 illustrates this principle. It can be seen that the focused laser beam LS is directed onto the surface OF of the quartz sample P to be structured and a defined size of the laser beam focus is set on the surface OF. Starting from the 350 µm ² focus on the surface OF of the quartz sample P, the parameters for the structuring are now changed. Thus, the method according to the invention was carried out for the modification in which the number of rounds is increased step by step from 10 to 500 at constant pulse energy of 15 μJ, 20 μJ and 25 μJ. The pulse duration is 2.4 ps. With these parameters, the self-focusing effect is specifically set in the quartz and causes the modification of the modification threshold at this point inside the material due to the additional focusing of the energy of the laser beam (schematically shown the beam path with self-focusing effect SF and for comparison the beam path without self-focusing SV). This is how the material is structured at this point MS.

Mittels Mikroskopaufnahmen können die Strukturänderungen als Spuren im Material von der Seitenfläche aus sichtbar gemacht werden. Diese zeigen, daß die Änderung der Schußzahl zu einer unterschiedlichen Länge der Modifikationen führt. Neben der Abhängigkeit der Strukturlänge von der Schußzahl ist ebenfalls die Abhängigkeit der Tiefe der Modifikation von der Pulsenergie auf den Aufnahmen erkennbar.By means of microscope images, the structural changes can be traced in the Material can be made visible from the side surface. These show that changing the number of shots to a different length of Modifications. In addition to the dependence of the structure length on the Shot number is also the dependence of the depth of the modification on the Pulse energy recognizable on the recordings.

Für jedes als optischer Speicher geeignete transparente Material können auf diese Weise die Parameter für lokalisiert herbeizuführende Modifikationsstrukturen festgestellt werden. Die erzeugten Modifikationsstrukturen ermöglichen z. B. in Spuren in parallelen Ebenen eine hohe Speicherdichte von Daten.For any transparent material that is suitable as an optical memory, can this way the parameters for localized Modification structures are found. The generated Modification structures enable e.g. B. in tracks in parallel planes high storage density of data.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von räumlichen Mikrostrukturen in transparenten Materialien mittels Laserbestrahlung, bei dem durch den nichtlinearen optischen Effekt der Selbstfokussierung im Volumen dieser Materialien derartige Strukturen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer in Abhängigkeit vom zu strukturierenden Material auf der Materialoberfläche einzustellenden Größe des Fokus des Laserstrahls die Intensität des Laserimpulses unterhalb der Schwelle für die Oberflächenmodifikation und oberhalb der kritischen Intensität, bei der die Selbstfokussierung im Volumen beginnt, und die Tiefenlage der zu erzeugenden Struktur über die Impulslänge und/oder die Impulsenergie eingestellt wird.1. A process for the production of spatial microstructures in transparent materials by means of laser radiation, in which such structures are generated by the nonlinear optical effect of self-focusing in the volume of these materials, characterized in that the size of the material to be structured depends on the material to be structured The focus of the laser beam is the intensity of the laser pulse below the threshold for surface modification and above the critical intensity at which self-focusing in volume begins and the depth of the structure to be generated is set via the pulse length and / or the pulse energy. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom zu strukturierenden Material und der Tiefenlage der zu erzeugenden Struktur die Länge des Laserimpulses zwischen 0,5 ps und 10 ps und seine Energie pro Fläche zwischen 0,1 J/cm² und 8 J/cm² eingestellt und 1 (ein) bis 1000 Schuß auf das Material gerichtet werden.2. The method according to claim 1, characterized in that depending on the material to be structured and the depth of the structure to be generated, the length of the laser pulse between 0.5 ps and 10 ps and its energy per area between 0.1 J / cm ² and 8 J / cm ^{2 are} set and 1 (one) to 1000 shots are aimed at the material. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Fokus des Laserstrahls auf einer Quarzoberfläche zwischen 250 µm² und 900 µm² eingestellt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the size of the focus of the laser beam on a quartz surface between 250 microns ² and 900 microns ^{2 is} set. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlichen Mikrostrukturen in Mustern mit hoher Speicherdichte in Spuren der einzuschreibenden Daten erzeugt werden. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the spatial microstructures in patterns with high storage density in Traces of the data to be written are generated.   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Dicke von 1 mm mindestens 25 Speicherlagen mit dazwischenliegenden Sicherheitsschichten von 20 µm Dicke erzeugt werden.5. The method according to claim 4, characterized in that to a thickness of 1 mm with at least 25 storage layers intermediate security layers of 20 µm thickness are generated.