Die eingangs genannten ultrakurzen Laserpulse werden im Stand der Technik für die Materialbearbeitung eingesetzt. Dabei liegt die Pulsdauer für so genannte ultrakurze Laserpulse im Femtosekundenbereich, insbesondere zwischen zehn und mehreren hundert Femtosekunden. Bei der Laserbearbeitung eines Materi- als wird im Stand der Technik ein Laserstrahl in gepulster Form mit vordefinierter Pulsenergie, Leistung und flächenbe- zogener Dichte auf bestimmte Stellen des Materials gerichtet.

Durch die Wirkung des Energieeintrags wird dabei das Material verändert. Liegt die Pulsdauer im Nanosekundenbereich, so be- inhaltet die Wirkung eines Laserpulses auch die thermische Erwärmung des Materials, da die in dem Material stattfinden- den Wärmeleitungsprozesse innerhalb der Pulsdauer stattfinden können. Liegt die Pulsdauer jedoch im Femtosekundenbereich deutlich unterhalb der Zeitkonstanten für die Wärmeleitung in einem jeweiligen Material, so findet die Materialablation statt, bei der die bestrahlten Massepakete stark erhitzt wer-

den und dann aus der Oberfläche des Materials"heraussprin- gen", ohne dass dabei das umliegende Material wesentlich er- hitzt wird, s. WO 00/67003, Seite 5.

Die physikalischen Effekte, die von Laserpulsen mit elektro- nenanregender oder mit ionisierender Wirkung erzielbar sind, werden in der Literatur unter dem Begriff, Laser induced breakdown' (LIB) zusammengefasst. Mit LIB-Spektroskopischen Untersuchungen (LIBS), die der jeweils erzielten physikali- schen Wirkung angepasst sind, kann die von einem oder mehre- ren Laserpulsen hinterlassene Wirkung spektrometrisch nachge- wiesen werden.

Materialbearbeitung durch Laser mit Pulsdauern von mehreren Nanosekunden ist im Stand der Technik weitläufig bekannt. Ü- ber Materialbearbeitung mit Laserpulsen im Femtosekundenbe- reich liegen jedoch erst vergleichsweise wenige Erfahrungen vor. Die internationale Patentanmeldung WO 95/27587 offenbart auch Einzelheiten über solche Femtosekunden-Laserpulse.

In der zitierten WO-Patentanmeldung werden die Wirkungen von laserinduziertem breakdown von Material in Form von chemi- schen und physikalischen Materialveränderungen, chemischen und physikalischen breakdown, Disintegration, Ablation und Verdampfung erwähnt. Der besondere Vorzug von Laserpulsen im Gegensatz zu kontinuierlicher Laserstrahlung wird insbesonde- re bezüglich medizinischer Laseranwendungen erwähnt. So kann eine sehr hohe Spitzenleistung eines Pulses in der Größenord- nung von Gigawatt und mit einer Intensität der Größenordnung von 1013 Watt pro Quadratzentimeter auf die fokussierte Spot- fläche aufgebracht werden. Die zitierte WO-Patentanmeldung hat es sich zum Ziel gesetzt, insbesondere für medizinische Anwendungen den Brennfleck (Spot) der Laserpulse lokal enger einzugrenzen, um den laserinduzierten breakdown in der Peri- pherie des Spots zu vermeiden. Bezüglich der Materialbearbei-

tung schlägt sie ein Verfahren vor, um ein vorgewähltes Mus- ter in einem Material oder auf einem Material zu erzeugen.

Die vorgenannte WO-Patentanmeldung offenbart zur Lösung die- ser Probleme eine relativ genaue Bestimmung der Zerstör- schwelle (fluence breakdown threshold) in Abhängigkeit von der Laserpulslänge. Es wird vorgeschlagen, die Pulslänge des Lasers für ein jeweils gegebenes Material kleiner oder gleich einem dort berechneten Schwellwert zu machen, und damit die beabsichtigten Wirkungen auf das Material zu erzielen. Es wird festgestellt, dass für Pulsenergien an dem Schwellwert für Ablation oder in dessen Nähe das räumliche Profil des La- serstrahls die Größe und die Gestalt der ablatierten Region bestimmt (s. dort Seite 13, erster Absatz, Figuren 4 und 5).

Dabei wird die eingetragene Pulsenergie, deren Größe im we- sentlichen dafür verantwortlich ist, ob Ablation stattfindet oder nicht, in dem dort genannten Stand der Technik durch die eingestellte Pulsdauer bestimmt.

In der zitierten WO-Patentanmeldung werden beispielsweise Pulslängen im Bereich von 7 Nanosekunden bis 100 Femtosekun- den erzeugt, und ein Objektiv mit zehnfacher Vergrößerung verwendet, um eine theoretische Spotgröße von 3,0 Mikrometern Durchmesser zu erhalten. Eine SEM-photomikrographische Abbil- dung der ablatierten Löcher, die damit in einem Silberfilm auf Glas unter Verwendung von Laserpulsen mit einer Pulsbrei- te von 200 Femtosekunden und einer Pulsenergie von 30 Nano- joule, und einer Flussdichte von 0,4 Joule pro Quadratzenti- meter erzeugt wurden, zeigen Löcher eines Durchmessers von etwa 0,3 Mikrometern, entsprechend 300 Nanometern. Aus diesen Ergebnissen wird dort abgeleitet, dass es auch möglich ist, noch kleinere Löcher zu erzeugen, wenn man lediglich eine kleinere Spotgröße verwendet, die als Funktion der numeri- schen Apertur des Objektivs und der Wellenlänge entsprechend erhalten werden kann. Diese Folgerung ist als solche zwar

richtig, lässt aber weitere, sehr effizient und praxistaug- lich einsetzbare Möglichkeiten aus.

Das dort beschriebene Verfahren besitzt darüber hinaus noch die folgenden beiden größeren Nachteile : Zum einen ist es nachteilhaft, die Pulsdauer als einzigen Steuerparameter für die Laserpulse zu verwenden, weil nicht immer der kürzeste Laserpuls der am besten für die gewünschte Ablation geeignete ist.

Zum anderen wird die Tatsache nicht berücksichtigt, dass bei einer repetierenden Pulsfolge ein bestimmter Puls In Form ei- nes"Schusses"Wirkungen im Material hinterlässt, die die Ablationseffizienz für den nachfolgenden Puls verändern im Vergleich zum vorhergehenden. Dies trifft insbesondere für den ersten und zweiten"Schuß", aber auch in geänderter Form beispielsweise für den 20. und 21. Schuß zu, wobei der je- weils nachfolgende Schuß in X Y-Richtung die Probe an dersel- ben Stelle trifft, aber in Z-Richtung"tiefer"im Inneren der Probe. Diese nicht genau vorhersagbaren Wirkungen bein- halten beispielsweise die Bildung von so genannten Farbzent- ren direkt unter dem Wechselwirkungsgebiet, wenn der Schuß als von oben kommend betrachtet wird. Aus einer vorher kri- stallinen Struktur wird dabei lokal eng begrenzt nach Auf- schmelzung eine amorphe Struktur mit weit höheren Absorpti- onsgrad für die einfallende Pulsstrahlung. Auf dieses Phäno- men wird hier mit dem Ausdruck"History-Effekt"Bezug genom- men.

Daher ist das Verfahren der zitierten WO-Patentanmeldung für die Praxis in der industriell durchgeführten Materialbearbei- tung kaum brauchbar, denn der offenbarte, formelmäßige Zusam- menhang zur Bestimmung der Zerstörschwelle gilt nur bei bis- her unbearbeitetem Material, also nur für den allerersten La- serpuls, der auf"jungfräuliches"Material trifft. Da der

erste Puls, wie oben erwähnt, bereits nicht deterministisch feststellbare und reproduzierbare Materialänderungen im und gegebenenfalls unter dem Wechselwirkungsgebiet hinterlässt, wird die Zerstörschwelle beim zweiten Puls schon anders lie- gen wie beim ersten Puls. Daher gilt der in der zitierten WO- Schrift festgestellte formelmäßige Zusammenhang nicht mehr für den zweiten und für die darauf folgenden Pulse in der entsprechenden Repetitionsfolge während der gesamten Materi- albearbeitung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das oben dargestellte gattungsgemäße Verfahren zur Materialbearbeitung mit Laserpulsen weiter zu verbessern.

VORTEILE DER ERFINDUNG Die erfindungsgemäßen Gegenstände der unabhängigen Ansprüche lösen einzeln oder gegebenenfalls gemeinsam diese Aufgabe.

In den jeweiligen Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstan- des der Erfindung.

Die Patentansprüche weisen zwei Gruppen von Verfahrensansprü- chen auf, wobei die erste die Anwendung in der Praxis, und die zweite das Anlegen einer Wissensdatenbank beinhaltet, die dann für die Anwendung verwendet werden kann. Daher sind zwei unterschiedliche Hauptaspekte derselben Erfindung definiert.

Gemäß dem ersten Hauptaspekt wird ein in der Industriepraxis anwendbares Verfahren zur mikrostrukturierten ablativen Be- arbeitung von Material offenbart, das eine vorbestimmte An- zahl charakteristischer Materialeigenschaften aufweist, wobei die Bearbeitung des Materials in einem oder mehreren aufein- ander folgenden Prozessschritten erfolgt. Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte :

a) systematisches Erfassen der Materialeigenschaften und der Prozessschritte, b) Ermitteln derjenigen Pulsform von ultra-kurzen Laserpulsen (Femtosekundenbereich), die aa) für einen jeweiligen Prozessschritt, und bb) für die in einem jeweilig vorhandenen Prozessschritt vor- liegenden Materialeigenschaften für eine effiziente Materialbearbeitung definiert und ange- passt ausgewählt sind, c) Beaufschlagen des Materials mit ultra-kurzen, der Materia- lablation dienenden Laserpulsen der jeweils ermittelten Puls- form.

Dabei entspricht ein Prozessschritt der Bearbeitung durch ei- nen Laserpuls, oder eine vordefinierte Anzahl von Laserpul- sen, deren Einwirkung auf das Material im Rahmen von indivi- duell vorgebbaren Genauigkeitsmaßen möglichst reproduzierbar sein soll. Die besonders angepasste Pulsform wird aus einer "Wissensdatenbank"oder Bibliothek gelesen, die separat er- stellt worden ist, und deren Erstellung von den Ansprüchen gemäß dem zweiten Hauptaspekt abgedeckt sein soll.

Dabei können wenigstens eine der folgenden Materialeigen- schaften verwendet werden : a) chemische Eigenschaften des Materials nach Stoffzusammen- setzung, gegeben durch die chemische Formel des Stoffes, Strukturformel, Bindungsart der Moleküle, Gittereigenschaf- ten, chem. Zusammensetzung, Atomgewicht, Kernladungszahlen, Ionisationsenergie (n), Elektronenaffinität, Elektronegativi- tät, Wertigkeiten der Komponenten bei Verbindungen, etc. b) physikalische Eigenschaften des Materials wie Härte, Schmelzpunkt, etc.

In vorteilhafter Weise kann das Material in x, y, und z- Richtung bearbeitet werden durch die Schritte : a) Positionieren des Fokus des Ablationspulses mit einer La-

serscanmikroskopvorrichtung (Lichtmikroskop) und einer Puls- formvorrichtung (Puls-shaper), b) Verändern der Position des Laserfokus und erneutes Beauf- schlagen des Materials mit ultra-kurzen, der Materialablation dienenden Laserpulsen der jeweils als angepasst ermittelten Pulsform.

Ein piezogesteuerter Verschiebetisch ermöglicht dabei Ver- schiebungen um wenige Nanometer. Es können beliebige Materia- lien bearbeitet werden, sofern das Wechselwirkungsgebiet zwi- schen Laserpuls und Material reproduzierbar einstellbar ist.

Gemäß dem zweiten Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung ge- schieht das Anlegen der"Wissensdatenbank"anhand jeweiliger "Meister-Materialproben", die jeweils als Muster für ein je- weiliges Material dienen, mit selbstadaptiven, iterativen, automatisiert ablaufenden, und programmgesteuerten Optimie- rungsverfahren, wie folgt : Es wird ein Verfahren zum Erfassen der Ablationseffizienz von ultrakurzen Laserpulsen für beliebige Materialien mit vorge- gebener Zusammensetzung offenbart, wobei die Ablation in ei- ner Folge von mehreren, zeitlich aufeinander folgenden Pro- zessschritten durchgeführt wird, enthaltend die Schritte : a) Bestrahlen des Materials mit ultra-kurzen, der Materia- lablation dienenden Laserpulsen einer vorgegebenen Pulsform, wobei die Bestrahlung ein Elektronenplasma erzeugt, b) Verwenden des erzeugten Elektronenplasmas als Messobjekt zur Berechnung einer Rückkopplungsgröße für einen programmge- steuerten Ablationseffizienzoptimierung, wobei die Rückkopp- lungsgröße die Effizienz der Ablationswirkung beschreibt, ge- kennzeichnet durch folgende Schritte : c) Variieren der zeitlichen Energiestromdichteverteilung des elektrischen Feldes des Ablationspulses als Steuerparameter für die Gestaltung der Pulsform eines iterierten, pro- zesschrittspezifischen Ablationspulses nach einem vorgegebe-

nen Algorithmus, d) Speichern von Optimierungsdaten, die die Steuerparameter und die jeweils zugehörige Ablationseffizienz kennzeichnen, in einem Messdatenpool, e) Wiederholen der Schritte a) bis d) in einer Iteration, bis ein vorgegebenes Abbruchkriterium für die Iteration erfüllt ist, f) gesondertes Kennzeichnen derjenigen Optimierungsdaten aus dem Meßdatenpool, die einer Ablation mit vorgegebener Min- desteffizienz entsprechen.

Die Iteration beinhaltet eine systematische, serielle Varia- tion der Steuerparameter für die zeitliche Energiestromdich- teverteilung des Laserpulses in vorgegebenen Intervallen, sie kann eine grob/fein Abfolge bei der Variation der Parameter beinhalten, einen genetischen/evolutionären oder anderen Al- gorithmus, gegebenenfalls mit trial-and-error basiertem zu- sätzlichen Input, wie es im Stand der Technik für solche Va- riationen gegeben ist. Insbesondere kann die optische Weglän- ge einzelner spektraler Komponenten des Laserpulses und die zugehörigen Amplituden zur Neudefinition einer Pulsform ge- zielt variiert werden. Hierbei kann die Femtosekunden- Laserpulsform in den Pikosekundenbereich zeitlich gestreckt werden, wobei der gestreckte Laserpuls auf einer Femtosekun- den-Zeitskala moduliert ist, und gleichzeitig können spektra- le Amplituden gezielt verändert werden.

Wenn die Optimierung für jeden der aufeinander folgenden Pro- zessschritte separat durchgeführt wird, wobei für den jeweils aktuellen Prozessschritt der oder die vorangegangenen Pro- zessschritte mit berücksichtigt sind, so ergibt sich eine um- fassende Datenbank, die für viele industrielle Anwendungen, beispielsweise auch für die Chipstrukturierung im Nanometer- bereich jeweils gezielt für jeden einzelnen Prozessschritt oder für ein zusammengefasstes Bündel von Prozessschritten ausgelesen werden kann, wobei immer automatisch der optimier-

te Laserpuls gefunden wird.

In bevorzugter Weise wird das durch den Laserpuls erzeugte Elektronenplasma als Messobjekt zum Auffinden des Optimums der Effizienz bei der Materialablation verwendet. Das Verfah- ren enthält dann den Schritt des Messens der Plasmalumines- zenz beim Rekombinieren des Elektronenplasmas mit bei der Be- strahlung frei gewordenen Ionen.

Als Vorteil ergibt sich, dass das verfahren elementspezifi- sche Ergebnisse liefert, da die Ionen der einzelnen Elemente spezifische Lumineszenzstrahlung während des Rekombinierens emittieren, Wenn in weiter vorteilhafter Weise das Verwenden des erzeug- ten Elektronenplasmas als Messobjekt die Schritte enthält : a) Leiten eines zeitlich zum Ablationspuls verzögert ausge- sendeten, im Verhältnis zum Ablationspuls energieschwachen Analyselaserpulses (Probelaserpuls) auf das Plasma, und b) spektrometrisches Messen des an dem Plasma reflektierten Analysepulses, so ergeben sich als Vorteile eine sehr genaue Messung, da ein"direktes Messen"der Elektronendichte des Plasmas erfolgt. Solche Messungen sind im Stand der Technik an sich bekannt unter dem Begriff"transiente Reflekti- onsspektroskopie".

Eine effiziente Durchführung des Verfahrens setzt dabei vor- aus, dass der Analysepuls"automatisch"auch auf das Plasma justiert und fokussiert ist. Dies wird erfindungsgemäß durch das Merkmal erreicht, dass das Licht des reflektierten Analy- sepuls auch wieder von demselben Objektiv hocheffizient ein- gefangen wird.

Wenn in weiter vorteilhafter Weise das Messen durch einen A- nalysepuls erfolgt, der mit verschieden gerichteter Polarisa- tion relativ zur Polarisation eines kurz zuvor an demselben Material bestrahlten Ablationspulses erfolgt, dann können die

Pulse durch strahlteilende Elemente gut voneinander getrennt werden. Zueinander senkrecht stehende Polarisationsrichtungen sind bevorzugt.

In vorteilhafter Weise wird erfindungsgemäß eine Untermenge der folgenden Parameter als Steuerparameter zur Definition der Pulsform des Ablationspulses und damit der zeitlichen E- nergiestromdichteverteilung verwendet : a) die optische Weglänge der einzelnen Frequenzkomponenten des Pulses, indem der Puls durch im Stand der Technik bekann- te nematische Flüssigkeitskristalle geleitet wird, dessen einzeln ansteuerbare Pixel je nach Größe und Vorzeichen der angelegten Spannung die optische Weglänge verändern. b) optional erlaubt ein weiterer Flüssigkeitskristall, dessen Achse bezüglich der Eingangspolaristation des Laserpulses ge- kippt ist, in Verbindung mit einem Polarisator die gezielte Modulation der spektralen Amplituden.

Dies wird durch eine computergesteuerte Pulsformvorrichtung, auch als"Puls-Shaper"bekannt, erreicht, die jedoch erfin- dungsgemäß in besonderer Weise weitergebildet sein muß, um hohe Pulsleistungen aushalten zu können. Damit ist es mög- lich, eine scharfe Abbildung in der Fourier-Ebene des Pulses zu erzeugen, obwohl der Laserpuls mit wenigen zehn Femtose- kunden Dauer ultrakurz ist und relativ hohe Leistungsdichte besitzt.

Zusammengefasst werden erfindungsgemäß also ultrakurze Laser- pulse mit Hilfe eines Phasenmodulators gezielt geformt, das Material damit bestrahlt, und die Qualität des durch die Be- strahlung erfolgten Arbeitsprozesses computertechnisch er- fasst und bewertet. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Signals aus der laserinduzierten breakdown-Spektroskopie durchgeführt werden. Erfindungsgemäß wird dieses Auswertesig- nal von einem Optimierungsalgorithmus bewertet, und die ge- wonnene Information wird direkt zur Berechnung weiterer, mög-

licherweise geeigneterer Laserpulsformen benutzt, die itera- tiv wiederum durch den computergesteuerten Phasenmodulator eingestellt werden. Diese neuen Laserpulse werden dann wieder auf das Material gestrahlt, und zwar so, dass die gleichen Bedingungen auf dem Material vorherrschen, wie bei dem voran- gegangenen Puls. Die Iteration wird so lange fortgeführt, bis ein Optimum der Effizienz bei der Bearbeitung des Materials im Wesentlichen aufgrund der Rückkopplungssignale gefunden ist.

Durch das erfindungsgemäße, iterative und selbstadaptive Ver- fahren ist es möglich, die Energiestromdichteverteilung ult- rakurzer Laserpulse den gegebenen physikalischen und chemi- schen Bedingungen des Werkstoffes für die Materialbearbeitung optimal anzupassen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, be- sonders die Amplitude und Phaseninformation des elektrischen Feldes des Laserpulses gezielt zu variieren, um das Optimum der Effizienz zu bestimmen. Der Optimierungsalgorithmus fin- det dann eine optimale Pulsform, unabhängig davon, ob man die theoretischen Hintergründe für die Pulsform und den Grund ih- rer besonderen Eignung kennt oder nicht.

Erfindungsgemäß wird durch die strukturierte Formung des ult- rakurzen Laserpulses im Zeitbereich eine zusätzliche Möglich- keit geschaffen, mit einem sehr geringen Energieeintrag sehr nahe der Zerstörschwelle Material räumlich eng begrenzt zu ablatieren, da dadurch die Energie auf das Innere des Brenn- flecks konzentriert wird, und nur dort ablatiert wird. Eine solche strukturierte Pulsformung eingesetzt zusammen mit ei- nem Objektiv hoher numerischer Apertur schafft die Vorausset- zung für in Z-Richtung eng begrenzte Ablation, die weit ge- ringer ist als die in der vorgenanten WO-Patentanmeldung an- gegebene, in der nur gesagt wird, dass die Lochtiefe kleiner als der Rayleigh Range ist, woraus ein Fachmann immerhin aber noch dieselbe Größenordnung wie der Rayleigh Range versteht.

Das hier offenbarte Verfahren kann in vorteilhafter Weise

Lochtiefen pro Laserschuss im Bereich weniger 10 nm erzielen.

Diese Lochtiefen sind damit um Größenordnungen kleiner als der Rayleigh Range, der im Bereich einiger Mikrometer liegt.

Außerdem kann durch Anpassung der Energiestromdichtevertei- lung der Laserpulse für jeden einzelnen Prozessschritt, also nicht nur für den ersten Puls, sondern auch für die nachfol- genden, ein geringst möglicher Materialabtrag bei sehr gerin- ger Lochtiefe garantiert werden, die etwa um den Faktor 10 kleiner ist als in der vorgenanten, nämlich in einem Z- Bereich von etwa 10 bis 30 Nanometern, was für ein Loch in biologisches Gewebe gemessen wurde.

Erfindungsgemäß wird die strukturierte Pulsformung erreicht durch Variation von Amplitude und Phase des eingestrahlten Laserpulses, so daß ein Optimum für die Ablation für die Ma- terialablation mit optimierter Effizienz computergesteuert gefunden werden kann.

In bevorzugter Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Wissensbasis in Form einer Datenbank oder dergleichen angelegt werden, bei dem für bestimmte, vorgewählte Materia- lien für jeden Prozessschritt, also bevorzugt für jeden ein- zelnen Puls die als optimal gefundene Pulsform gespeichert wird und in der Praxis aus dieser Datenbank herausgelesen werden kann.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Optimierung der zeitli- chen Energiestromdichteverteilung der verwendeten Femtosekun- den-Laserpulse werden die Prozesswirkungsgrade bei der Mate- rialbearbeitung verbessert, wodurch sich eine höhere Bearbei- tungsgeschwindigkeit und eine erhöhte Qualität der Bearbei- tung, insbesondere bei der Laser-Mikrostrukturierung im Nano- meterbereich mit wesentlich erhöhter räumlicher Präzision er- gibt. Mittels der erfindungsgemäß bestimmten, optimierten La- serpulsform wird bei vorgegebenem, oft möglichst geringem E- nergieeintrag ein hoher Materialabtrag erreicht, so dass Mik-

rostrukturierung von Material erzeugt werden kann, die im Stand der Technik bislang nicht oder nur uneffizient zur Ver- fügung gestellt werden konnte. Beispielsweise können Materi- alvertiefungen mit einem Durchmesser von kleiner 1 Mikrometer und einer Tiefe von nur 10 bis 30 Nanometern erzeugt werden.

Das bei ultrakurzen Laserpulsen im Femtosekundenbereich und bei räumlich eng begrenztem Brennfleck erforderliche Disper- sionsmanagement für den Laserpuls wird erfindungsgemäß durch eine Pulsformer-Vorrichtung zur Verfügung gestellt, deren Einzelkomponenten im Stand der Technik vollständig bekannt sind, die jedoch erfindungsgemäß besonders ausgebildet sind.

Dabei wird ein halbsphärisch ausgebildeter Zylinderspiegel anstatt einer Linse verwendet, um den Pulsformer für die hohe Pulsleistung anzupassen. Desweiteren wird der geformte Laser- puls in besonderer Weise in den Strahlengang der Analysevor- richtung eingekoppelt, wie folgt : Über ein Periskop wird die Strahlhöhe angepaßt und mit einem Einkoppelspiegel vor dem Objektiv wird der Laserstrahl in das Objektive eingekoppelt. Der Laserstrahldurchmesser ist so ge- wählt, dass von der Apertur des Objektives mindestens 30% der Laserstrahlleistung abgeschnitten wird. Dies garantiert ein praktisch ebene Wellenfront in der Einkopplung und damit die maximal beste räumliche Auflösung. Zwischen dem letzten Peri- skopspiegel und dem Einkoppelspiegel des Objektivs befinden sich entweder dichroitische oder polarisationsabhängige Strahlteiler zur Auskopplung des Analyselichtes.

Mit dem erfinderischen Konzept ist es möglich, kleinste Strukturen im Nanometerbereich abzutragen, wobei die für das jeweilige Material geringst mögliche Pulsenergie verwendet werden kann, wodurch das umliegende Material kaum oder über- haupt nicht verändert wird. Somit werden Kollateralschäden reduziert. Das erfinderische Verfahren ist nicht auf bestimm-

te Materialien beschränkt anwendbar. Es wurde für anorgani- sche und organische Materialien, insbesondere auch für biolo- gische Gewebe erfolgreich getestet. Das erfindungsgemäße Ver- fahren kann in besonders bevorzugter Weise auch für mehr- schichtig aufgebaute Materialstrukturen eingesetzt werden, bei denen sich die unterschiedlichen Schichten voneinander durch ihre chemische Zusammensetzung voneinander unterschei- den.

ZEICHNUNGEN Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er- läutert.

Es zeigen : Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm, das die wesentli- chen strukturellen Bestandteile eines erfindungsge- mäßen Versuchsaufbaus beinhaltet, wobei als Nach- weisverfahren zur Überprüfung der Ablationseffi- zienz die laserinduzierte breakdown-Spektroskopie (LIBS) mit einer Auswertung der Plasmalumineszenz verwendet wird ; Fig. 2 eine schematische Abbildung, die den geschlossenen Kreislauf bei der computergestützten Optimierung des Femtosekundenpulsformers beinhaltet, und Fig. 3 eine Schemazeichnung mit den wesentlichen struktu- rellen Bestandteilen eines erfindungsgemäßen Aus- führungsbeispiels, bei dem als optisches Nachweis- verfahren zur Überprüfung der Ablationseffizienz die transiente Reflektionsspektroskopie eingesetzt wird.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.

Mit Bezug zu Fig. 1 ist ein Femtosekunden-Lasersystem 10 mit einem Pulsformer 12 operativ verbunden, der einen Laserstrahl mit vordefinierten Eigenschaften verarbeitet und Laserpulse erzeugt, die bestimmte gewünschte Eigenschaften besitzen. Als Femtosekunden-Lasersystem 10 kommt beispielsweise das folgen- de in Frage : Ein Femtosekunden-Lasersystem der Firma FEMTOLASERS Produkti- ons GmbH des Typs FEMTOPOWER (Pulsdauer < 30 fs, Pulsenergie 800 uJ, Zentralwellenlänge 800 nm, Repetitionsrate 1 kHz).

Die von dem Femtosekunden-Lasersystem 10 erzeugten Laserpulse werden in den Laserpulsformer 12 eingekoppelt. Der Pulsformer 12 ist computergesteuert. Das Femtosekunden-Lasersystem 10 und der Pulsformer 12 kann zusammen mit der Computersteuerung als funktionale Einheit gesehen werden, die Laserpulse mit jeweils unterschiedlich vorgebbaren zeitlichen Pulsformen im Femtosekunden-bis in den Pikosekundenbereich hinein, die auf einer Femtosekunden-Zeitskala moduliert sind, erzeugt. Fol- gende Pulseigenschaften können von dieser Einheit eingestellt werden : die Pulsenergie, die für viele Anwendungen möglichst niedrig eingestellt werden soll ; sie ist einstellbar zwischen wenigen Mikrojoule und einigen Millijoule ; die spektrale Amplitude des Laserpulses ; die Pulsdauer und vor allem die zeitliche Pulsstruktur, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung im Pikosekundenbe- reich bis etwa 25 Femtosekunden einstellbar ist, und damit die Pulsspitzenleistung, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bis mehrere Gigawatt einstellbar ist.

Die von dem System mit den Bestandteilen 10 und 12 erzeugten Laserpulse werden mit einem Spiegel 16 umgelenkt und gehen durch einen Strahlteiler 26 ohne Ablenkung hindurch in eine Mikroskopvorrichtung hinein, die ein Objektiv 20 mit hoher numerischer Apertur aufweist. Die Einkopplungsstelle sitzt zwischen dem Okular (nicht gezeigt) und dem Objektiv 20. Das Objektiv 20 besitzt eine numerische Apertur von 0,4 bis 1,0 und einen Arbeitsabstand zwischen 10 mm und 0,1 mm.

Die Mikroskopvorrichtung fokussiert den durchgehenden inten- siven Femtosekunden-Laserpuls auf einen Brennfleck sehr ge- ringer Fläche auf der Oberfläche oder gegebenenfalls inner- halb (falls transparent) eines Werkstücks 22, dessen Materi- alstruktur bearbeitet werden soll. Das Werkstück 22 ist auf einem Verschiebetisch 24 der Mikroskopvorrichtung fest ange- bracht, der seinerseits über eine kommerziell erhältliche Verschiebetisch-Steuereinrichtung mit einem Computer 32 über eine Steuerleitung 38 verbunden ist. Der Verschiebetisch kann somit programmgesteuert durch den Computer 32 gezielt um sehr geringe Weglängen in X-, Y-und Z-Richtung verschoben werden, wodurch sich bei fest eingestellter Mikroskopvorrichtung der Brennfleck oder das Brennpunktvolumen auf der Probe ver- schiebt. Die minimalen, reproduzierbaren Verschiebungen lie- gen bei wenigen Nanometern.

Es gibt nun ein so genanntes Wechselwirkungsgebiet zwischen Laserpuls und Material. Durch das Bestrahlen des Werkstücks im Wechselwirkungsgebiet, das erfindungsgemäß auch nur ein kleiner zentraler Teilbereich des Brennfleck-oder Brenn- punktvolumens sein kann, kommt es zu einem Materialabtrag.

Ist die Pulsenergie hoch genug, so entsteht ein Elektronen- plasma, dessen Quantität umso größer ist je mehr Material ab- getragen wurde.

Gemäß einem Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung wird nun das von dem oder mehreren ultrakurzen Laserpulsen mit vorge- gebener Pulsform erzeugte Elektronenplasma als Messobjekt zur Berechnung einer Rückkopplungsgröße für eine programmgesteu- erte Ablationseffizienz-Optimierung verwendet, wobei die Rückkopplungsgröße die Effizienz der Ablationswirkung be- schreibt.

Gemäß einem bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die von dem Elektronenplasma ausgehende Strahlung gemes- sen und in obigem Sinne weiterverarbeitet.

Gemäß einem besonders bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird zum"Einsammeln"der vom Plasma erzeugten Strahlung dasselbe Objektiv 20 verwendet, das bereits zum Fo- kussieren des Laserpulses auf das Werkstück 22 verwendet wur- de. Dies ist durch die Pfeile in Abbildung 1 zusätzlich kenntlich gemacht. Damit erreicht man zweierlei : Zum einen kann die Fokussierebene durch das Okular des Mikro- skops mit dem Auge als erstes"Kontrollinstanz"kontrolliert werden, und zum anderen wird eine separate Optik zum Einfan- gen der Plasmastrahlung überflüssig.

Die von dem Plasma ausgehende und das. Objektiv in entgegenge- setzter (zurück) Richtung durchlaufende Strahlung wird über den Strahlteiler 26 von dem einfallenden (hin) intensiven Femtosekunden-Laserlicht getrennt und über eine Sammellinsen- anordnung 28 in eine Spektrometer-Anordnung 30 zur Messung der Ablationseffizienz fokussiert. Die im Spektrometer er- zeugten Messdaten werden von dem bereits weiter oben erwähn- ten Computer über geeignete Datenverbindungen ausgelesen. Die jeweils verwendeten Steuerparameter für die Strukturierung des verwendeten Laserpulses und die im Spektrometer erzeugten Daten werden gegebenenfalls nach sinnvoller Aufbereitung vor- zugsweise für jeden Puls gesondert in einem symbolisch darge-

stellten Datenspeicher 33 gespeichert. Die vorerwähnten Steu- erparameter für die Zusammensetzung des Laserpulses bilden zusammen mit den die Ablationseffizienz kennzeichnenden Daten die so genannten"Optimierungsdaten". Wenn nun ein Puls mit vordefinierten physikalischen Eigenschaften auf eine bestimm- te Stelle eines Werkstücks 22 trifft, so hinterlässt es Spu- ren, die jeweils spezifisch sind, je nach eingestellten Steu- erparametern und je nach Vorgeschichte des Werkstücks. Wenn beispielsweise dasselbe Werkstück an derselben Stelle bereits zehnmal von einem Laserpuls getroffen wurde, so wird die Ablationseffizienz des elften Pulses eine andere sein, als die, die beim ersten oder zweiten Puls gemessen wurde.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden nun bevorzugt für jeden Puls die entsprechenden Opti- mierungsdaten gespeichert, so dass die Ablationseffizienz trotz ihrer formelmäßig nur schwer oder gar nicht darstellba- ren Komplexität trotzdem in ausreichender Weise erfasst wird.

Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden also empirische Daten gesammelt, um den Mangel auszugleichen, der sich daraus ergibt, dass die-entfernt--Effekte der aufein- ander folgenden Laserpulse eine formelmäßige Erfassung und Berechnungsmöglichkeit der Steuerparameter für eine vorgege- bene Ablationseffizienz verhindern.

Ein Optimierungsdatensatz für den aktuellen Puls kann nun folgende Daten beinhalten, die die aktuelle Einstellung des Gesamtsystems aus Lasersystem, Pulsformer und Mikroskop/Probe Anordnung, zusammen mit der erzielten Ablation eines bestimm- ten Materials charakterisieren : a) Material : Siliziumdioxid (Si02) b) Pulswellenlänge [nm], c) Pulsenergie [J], d) Pulsleistung [J/sec=Watt], e) Gemittelte Pulsintensität auf Probe (Strahlungsflussdichte [Watt/cm2]

f) Spektrale Amplitudenversteilung und Phasenfunktion des La- serpulses ermittelt über die Einstellung des kalibrierten Pulsformers. Hieraus ergibt sich die jeweilige optimale Puls- form der Laserpulse für den entsprechenden Prozeßbearbei- tungsschritt. f) Anzahl vorausgegangener Pulse (Schüsse) [], g) Pointer auf Datensatz des vorausgehenden Pulses, h) numerische Apertur des Objektivs, [] i) Arbeitsabstand zwischen Fokussierebene und Objektiv [mm], j) gemessene Plasmalumineszenzintensität bei Rekombinati- onsspektrallinie A, k) gemessene Plasmalumineszenzintensität bei Rekombinati- onsspektrallinie B, 1) gemessene Plasmalumineszenzintensität bei Rekombinati- onsspektrallinie C, m) aus j, k, l (ggf mit weiteren Spektrallinien) zusammenge- fasste Kennzahl für Effizienz der Ablation ; n) reflektierte Intensität [Watt/cm2] und spektrale Verteilung des Probelaserpulses, o) aus n) gebildete Kennzahl für Effizienz der Ablation ; p) aus n) und j, k, l (ggf mit weiteren Spektrallinien) zusam- mengefasste Kennzahl für Effizienz der Ablation, falls die Plasmaluminszenz und die Reflexion des Analysestrahls am E- lektronenplasma gleichzeitig ausgewertet wird, q) die zeitliche Pulsverzerrung induziert durch die Dispersi- on des Mikroskopobjektivs.

Die vorerwähnten Optimierungsdaten dienen als Eingangsparame- ter für einen erfindungsgemäß vorgesehenen Optimierungsalgo- rithmus. Dieser Algorithmus bewertet die Optimierungsdaten und erzeugt im Allgemeinen einen neuen Satz von Steuerparame- tern für die Bildung eines abgeänderten Laserpulses. Dieser neue Puls unterscheidet sich von dem vorangegangenen Puls in einem oder mehreren seiner physikalischen Eigenschaften. Ins- besondere soll erfindungsgemäß die Amplitudeninformation und die Phaseninformation der einzelnen beteiligten spektralen

Frequenzkomponenten des Pulses gezielt variiert werden, um eine jeweils neue, möglicherweise effizientere Pulsform zu erzeugen. Der Computer ist mit einem entsprechenden Geräte- treiber zur Ansteuerung des Femtosekunden-Lasersystems 10 und des Femtosekunden-Pulsformers 12 ausgestattet, die über ent- sprechende Steuerleitungen 34 und 36 angesteuert werden. La- sersystem 10 und Pulsformer 12 besitzen entsprechende Hard- ware-und Software-Schnittstellen, um die Laserpulse, getrie- ben durch die jeweils an den Eingangsports anliegenden Signa- le der Steuerparameter, so wie gewünscht zu formen.

Somit wird iterativ und aufbauend auf den Messdaten für die Ablationseffizienz in einem Iterationsdurchgang jeweils eine neue Pulsform erzeugt, mit der dann das Werkstück vorzugswei- se an einer anderen Stelle neu bestrahlt wird, wobei die neue Stelle möglichst denselben physikalischen und chemischen Zu- stand besitzen sollte, wie die alte.

Fig. 2 zeigt einen Iterationszyklus bestehend aus drei Teil- schritten, nämlich dem computergesteuerten Femtosekunden- Pulsform-Vorgang 40, der Messung der Ablationseffizienz 42 und Neudefinition 44 von Pulsformsteuerparametern, der compu- terunterstützt programmgesteuert abläuft. Diese Rückkopp- lungsschleife wird so lange iterativ durchlaufen, bis eine als optimal ansehbare Femtosekunden-Laserpulsform für einen jeweiligen Prozessschritt gefunden wurde. Dabei bezieht sich die optimale Pulsform vorzugsweise auf denselben Prozess- schritt. Ein Prozessschritt ist durch einen Optimierungsda- tensatz definiert und damit reproduzierbar.

Prozessschritt 1 kann also auf unbearbeitetes Material, das heißt, ohne jegliche vorherige Bestrahlung durch Laserpulse bezogen sein, Prozessschritt 2 kann erfindungsgemäß definiert sein als zweiter Laserpuls auf dasselbe Material wie im ers- ten Laserpuls, wobei der erste Laserpuls die oben erwähnten physikalischen Eigenschaften besaß. Prozessschritt 3 schleppt

dann die Informationen aus Prozessschritt 2 beziehungsweise Prozessschritt 1 mit, usw. Datentechnisch kann dies durch ei- nen verkettete Liste, oder einen"Array"dargestellt werden.

Mit Bezug zurück zu Fig. 1 kann das Werkstück 22 computerge- steuert über den Computer 32 und die Steuerleitung 38 durch Ansteuerung des Verschiebetisches 24 gezielt und genau defi- niert in X-, Y-, Z-Richtung verschoben werden. Eine gefundene optimale Femtosekunden-Laserpulsform hat eine zeitliche Ener- giestromdichteverteilung auf einer Femtosekunden-Zeitskala, die zu einem effizienten Materialabtrag bei einer jeweils vorgegebenen Pulsenergie führt.

Es sollte angemerkt werden, dass die oben geschilderte Opti- mierung bei der Pulsformung für jeden Prozessschritt und für jedes darstellbare Material ermittelt werden kann und erfin- dungsgemäß in einer Art Bibliothek abgelegt werden kann. Eine solche Wissensdatenbasis kann dann auf einem handelsüblichen Datenträger wie etwa einer CD-ROM oder DVD gespeichert sein, oder (gegen Entgelt) über Internet verfügbar gemacht werden, um damit als Prozesssteuerung für in Realzeit ablaufende Ma- terialbearbeitungsprozesse in der industriellen Anwendung dienen zu können. Eine solche Bibliothek wird dann in Echt- zeit sukzessive ausgelesen und die Femtosekunden- Laserpulsformen, die als optimiert abgespeichert worden sind, stehen in Echtzeit für jeden spezifischen Bearbeitungsschritt zur Verfügung. Durch geeignete Indexierung bestimmter Daten- felder in dem oben bezeichneten Optimierungsdatensatz, etwa oben a) das Material betreffend, oder f) Anzahl vorausgegan- gener Pulse (Schüsse) [] betreffend, oder g) Pointer auf Da- tensatz des vorausgehenden Pulses betreffend, kann ein genü- gend schneller Zugriff auf die für einen jeweiligen Puls ge- wünschten, optimierten Steuerparameter realisiert werden.

Im Folgenden werden zwei bevorzugte Nachweisverfahren zur Ü- berprüfung der Ablationseffizienz geschildert, die im Zusam-

menhang mit der vorliegenden Erfindung bevorzugt verwendet werden können. Wenn in Fig. 1 die von dem Elektronenplasma emittierte Plasmalumineszenz beim Rekombinieren des Plasmas mit bei der Bestrahlung frei gewordenen Ionen gemessen wird, so können elementspezifische Aussagen getroffen werden, da die Ionen der einzelnen chemischen Elemente jeweils spezifi- sche Lumineszenzstrahlung während ihres Rekombiniervorgangs emittieren. Je höher der jeweilige Lumineszenzpeak ist, desto mehr Ionen des betreffenden chemischen Elementes haben rekom- biniert, woraus geschlossen werden kann, dass ein größerer Peak im Spektrum auch einem intensiveren Materialabtrag des betreffenden Elementes entspricht. Des weiteren können durch Kombination mit anderen Messverfahren nicht nur relative Aus- sagen getroffen werden, sondern auch, wenn eine entsprechende Kalibrierung der Plasmalumineszenzstrahlung erfolgt ist, die entsprechenden quantitativen Aussagen, etwa dergestalt, dass eine relativ genau definierte Anzahl von Ionen eines bestimm- ten chemischen Elements bei einem Peak bestimmter Größe re- kombiniert haben muss.

Wenn, wie in bevorzugter Weise in Figur 1 dargestellt, das- selbe Objektiv, das auch den intensiven Femtosekunden- Laserpuls fokussiert, zum Einsammeln der Elektronenplasmalu- mineszenzstrahlung verwendet wird, so wird vorzugsweise ein Strahlteiler 26, wie in Fig. 1 eingezeichnet, eingesetzt, um das Lumineszenzlicht vom einstrahlenden Laserpuls zu trennen.

Die Plasmalumineszenzstrahlung wird dann nach ihrer Trennung vom Laserpuls durch eine geeignete Optik 28, etwa eine Sam- mellinse mit vordefinierter Brennweite in das Spektrometer 30 geführt.

Mit ergänzendem Bezug zu Fig. 3 wird im Folgenden eine weite- re Möglichkeit vorgestellt, das Elektronenplasma auszuwerten, wobei diese Methode insbesondere für geringe Pulsenergien des auf die Materialprobe einfallenden Laserpulses geeignet ist.

Ein experimenteller Aufbau kann im Wesentlichen, wie in Fig.

1 dargestellt und weiter oben beschrieben, dargestellt sein.

Im Folgenden werden insbesondere die spezifischen Unterschie- de hierzu im Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben.

Zwischen Femtosekunden-Lasersystem 10 und Femtosekunden- Pulsformer 12 ist ein optisches Element geschaltet, das den vom Lasersystem 10 ausgehenden, und in P-Richtung polarisier- ten intensiven Femtosekunden-Laserpuls aufspaltet in einen starken Teilstrahl, der verwendet wird, wie oben in Zusammen- hang mit Fig. 2 beschrieben wurde, und in einen im Verhältnis dazu schwachen so genannten Probelaserpuls, der ebenfalls ei- ne Pulsdauer im Femtosekundenbereich besitzt. Der schwache Probelaserpuls 56 wird an einem Spiegel 54 umgelenkt, durch einen Polarisationsfilter 58 in seiner Polarisationsrichtung um 90 Grad gedreht, an einem weiteren Spiegel 60 umgelenkt und durch ein für ihn durchlässiges dichroitisches Element 62 sowie dichroitisches Element 52 durch dasselbe Mikroskop und dasselbe Objektiv 20 auf dasselbe Wechselwirkungsgebiet wie der intensive Laserpuls, der ergänzend mit Bezugszeichen 51 bezeichnet ist, fokussiert.

Der intensive Laserpuls 51 erzeugt wieder das Elektronenplas- ma. Der oben erwähnte schwache Probelaserpuls 56 ist zeitlich verzögert relativ zum intensiven Laserpuls und besitzt eine um 90 Grad gedrehte Polarisationsrichtung. Noch bevor es zu Relaxationsprozessen kommen kann, das heißt innerhalb weniger Pikosekunden nach Auftreffen des intensiven Laserpulses im Wechselwirkungsgebiet, beleuchtet der zeitlich verzögerte Probelaserpuls das Elektronenplasma. Die zeitliche Verzöge- rung erfolgt über die vordefinierte Verzögerungsstrecke, die begrenzt ist durch ein strahltrennendes Element 50 und ein dichroitisches Element 52. Nun wird der Rückreflex des Probe- laserpulses, der durch Spiegelung am Elektronenplasma gewon- nen wird, mit dem Spektrometer 30 gemessen. Dabei erfolgt die Trennung von intensivem Laserpuls und schwachen Probelaser-

puls beispielsweise durch die in der Figur gezeigte Polarisa- tionstrennung. Aufgrund der unterschiedlichen spektralen Ver- teilung des Probelaserpulses vor beziehungsweise nach seiner Reflektion am Elektronenplasma kann die Elektronendichte be- rechnet werden, wie es im Stand der Technik für transiente Reflektionsspektroskopie bekannt ist.

Auch hier wird in bevorzugter Weise das reflektierte Spektrum mit dem Spektrometer für jeden erfolgten"Laserschuss"des intensiven Laserpulses ausgemessen, so dass die Elektronen- dichte jedes einzelnen Laserschusses bestimmt werden kann.

Diese Information wird vom oben beschriebenen Optimierungsal- gorithmus in ähnlicher Weise wie die Intensität eines Peaks im Plasmalumineszenzspektrum ausgewertet.

Die erfindungsgemäßen Verfahren können in vorteilhafter Weise unter Verwendung eines Pulsformers durchgeführt werden, wie er in einer gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung derselben Anmelderin mit dem Titel"Hochleistungspulsformer in Kompakt- bauweise"oder in einer Veröffentlichung der Universität Würzburg, Deutschland :"Tobias Brixner :"Adaptive Femtosecond Quantum Control", Julius Maximilian Universität, Würzburg, 2001", offenbart ist.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modi- fizierbar.

Schließlich können die Merkmale der Unteransprüche im wesent- lichen frei miteinander und nicht durch die in den Ansprüchen vorliegende Reihenfolge miteinander kombiniert werden, sofern sie unabhängig voneinander sind.