Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Strukturieren von Materialien mithilfe von Laserstrahlung zum Ausbilden von optischen Strukturen.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mittels einzelnen kurzen Laserpulsen oder Laserpulsfolgen mit definiertem Energieeintrag in das Material Mikro-Strukturierungen vorzunehmen. Hierbei werden die Strukturierungen so vorgenommen, dass nur

Phasenänderungen, d. h. Brechungsindexänderungen, in dem Material auftreten. Diese Änderungen des Brechungsindex können an der Oberfläche oder unmittelbar unter der Oberfläche des Materials ausgeführt werden. Ebenso ist es möglich, auch im Volumen Materialveränderungen laserinduziert zu erzeugen.

Bei den bisher im Stand der Technik bekannten Verfahren wird der Laserstrahl senkrecht zur Materialoberfläche in das Material fokussiert. Bei einer Variante wird das Material transversal relativ zur Strahlrichtung der Laserstrahlung bewegt, um die entsprechenden

Strukturierungen im Innern des Volumens des Materials vorzunehmen. Bei einer anderen Variante wird das Material longitudinal bezogen auf die Einstrahlrichtung der Laserstrahlung bzw. dessen Fokus bewegt, um die Strukturierungen im Inneren des Materials auszuführen. Beispiele für die Erzeugung von laserinduzierten Strukturierungen mittels der longitudinalen und transversalen Technik sind beispielsweise in einem Artikel von Rod Taylor et al. in Laser & Photon. Rev. 2, No. 1-2, Seiten 26-46 (2008) beschrieben.

Mit den transversalen Techniken lassen sich keine optischen Strukturierungen erzeugen, die vergleichbar mit Monomodefaserstrukturen sind, da man aufgrund der Fokussierung in das Material Strukturverzerrungen, beispielsweise in Form unerwünschter Verlängerungen erhält.

Bei der longitudinalen Technik tritt dieses Problem nicht auf, jedoch ist man durch die Fokussierung durch das Material entlang der Schreib- oder Strukturierungsrichtung durch den Öffnungswinkel der fokussierenden Optik, im Folgenden als Fokussieroptik bezeichnet, und die Materialkanten des Objekts, das aus dem zu strukturierenden Material bestehet, hinsichtlich der Strukturierungsmöglichkeiten begrenzt. Beispiele für Strukturierungen gemäß der longitudinalen Technik findet man zum Beispiel auch bei G. Cheng et al., Opt Lett. 38 (2013) Seiten 1924-1926, und K Mishchik et al. Opt. Express 18 (2010) 24809.

Die Wechselwirkung mit einem Material ist zum einen von der Pulsdauer der Laserstrahlung und zum andern von der Pulsenergie abhängig. Insgesamt werden ultrakurze Laserpulse, in der Regel mit Pulsdauern zwischen 100 Femtosekunden bis 1000 Femtosekunden verwendet.

Insgesamt werden im Stand der Technik drei Regime unterschieden, in denen sich

Modifikationen im Material ergeben.

In Figur 1 ist grafisch die Pulsenergie auf der Ordinate 80 gegenüber der Pulsdauer auf der Abszisse 90 aufgetragen. Insgesamt ergeben sich drei Bereiche 100, 200, 300, die den drei verschiedenen Modifikationsregimen 1 , 2, 3 zugeordnet sind.

In jedem der Bereiche ist ein Einschubbild 1 1 , 12, 13 einer modifizierten Strukturierung gezeigt, wobei der Brechungsindexänderungen des Materials über Schraffuren angedeutet sind. Schräg verlaufende Schraffuren deuten eine Brechungsindexerhöhung an, wohingegen senkrecht verlaufende Schraffuren eine Brechungsindexerniedrigung anzeigen. Gekreuzte Schraffuren kennzeichnen Materialschäden. Eine Schraffurdichte der einfachen Schraffuren deutet eine Größe der Brechungsindexänderung an.

Die drei Modifikationsregime 1 , 2, 3 sind jeweils durch Schwellenwertfunktionen 10, 20, 30 voneinander getrennt, die abhängig von der Pulsdauer die Schwellenpulsenergie angeben, ab der für Einzelpulse der Übergang von einem Modifikationsregime zu einem anderen Modifikationsregime erfolgt.

Ab einer bestimmten Schwellenpulsenergie, die durch die erste Schwellenwertfunktion 10 dargestellt ist, tritt für kurze Laserpulse mit einer Pulsdauer bis etwa 200 Femtosekunden, im Folgenden als fs abgekürzt, eine Materialmodifikation im Modifikationsregime 1 100 auf. In diesem Regime führt das direkte Laserschreiben zur Bildung von glatten, einheitlichen optischen Strukturen, die eine kleine Brechungsindexänderung gegenüber dem nicht modifizierten Material aufweisen. Beispielhaft ist eine solche Strukturierung 1 10 im

Einschubbild 11 dargestellt. Das Modifikationsregime 1 100 tritt somit bei niedrigen

Pulsenergien und kurzen Pulsdauern auf.

Die Strukturen können mittels Phasenkontrastmikroskopie untersucht werden. Die oben erwähnten Einschubbilder stellen schematisch solche mittels Phasenkontrastmikroskopie erzeugte Aufnahmen dar. Die Schraffurdichte der einfachen Schraffur deutet den

Brechungsindexunterschied gegenüber dem Ausgangsmaterial an. Je höhe die Strichdichte desto größer ist die Brechungsindexerhöhung. Eine Einstrahlrichtung 115 der Laserstrahlung bei der Erzeugung der Strukturierungen ist mittels eines Pfeils angedeutet. In Fig. 2 ist beispielhaft eine schematische Phasenkontrastmikroskopaufnahme 410 für eine Strukturierung 110 im ersten Modifikationsregime dargestellt. Eine Einstrahlrichtung 115 der gepulsten Laserstrahlung ist über einen Pfeil angedeutet. Die Pulsenergie zur Erzeugung der Strukturierung 1 10 betrug 80 Nanojoule (nJ), die Pulslänge 100 fs. Zu erkennen ist eine einheitliche homogene Strukturierung 1 10 mit einer mittleren Erhöhung des Brechungsindex gegenüber dem Brechungsindex des Ausgangsmaterials, beispielsweise Quarzglas.

Zusätzlich ist ein Maßstab 1 16 zum Abschätzen einer Größe der Strukturierung 1 10 mit einer Länge von 10 pm dargestellt. Eine Lichtleitung kann in der Strukturierung 110 parallel zu der Einstrahlrichtung 1 15 erfolgen, entlang derer die Strukturierung 110 ausgebildet wurde.

Wird bei den kurzen Pulsdauern eine zweite Energieschwelle, die durch die zweite

Schwellenwertfunktion 20 in Fig. 1 dargestellt ist, überschritten, so treten die

Materialmodifikationen im Regime 2 200 auf. Die Größe der zweiten Energieschwelle steigt zu kürzeren Laserpulsdauern an. Für Pulse mit Pulsdauern größer etwa 200 fs existiert nur die zweite Energieschwelle. Für diese Pulsdauern größer etwa 200 fs existieren keine Materialmodifikationen des ersten Modifikationsregimes.

Im Regime 2 200 sind die erzeugten Brechungsindexänderungen der Strukturierung 120 größer und negativ, jedoch treten auch Materialschäden 122 und/oder aufgrund der

Strukturierung erzeugte Spannungen 123 im Material auf, an denen positive

Brechungsindexänderungen beobachtbar sind. Exemplarisch ist dieses in dem zweiten Einschubbild 12 sowie etwas detaillierter in Fig. 3 dargestellt. Die Einstrahlrichtung 115 ist erneut eingezeichnet.

Fig. 3 zeigt eine weitere schematische Phasenkontrastmikroskopaufnahme 420 einer Strukturierung 120, die unter Bedingungen des zweiten Modifikationsregimes 2 (vergleiche Fig. 1 ) erzeugt ist. Die Strukturierung 120 wurde mit einer Pulsenergie von 200 Nanojoule bei einer Pulsdauer von 100 fs erzeugt. Die Strukturierung ist im Vergleich zu einer

Strukturierung im Modifikationsregime 1 größer und weist einen größeren Brechungsindex unterschied, eine größere Erhöhung des Brechungsindexes, gegenüber dem

Brechungsindex des Ausgangsmaterials auf. Jedoch zeigen sich Materialschäden 122, welche über eine gekreuzte Schraffur angedeutet sind sowie Spannungen 123 im Material, die zu positiven Brechungsindexänderungen führen. In diesem Bereich ist senkrecht zur Zeichnungsebene eine Lichtleitung möglich. Um Lichtleiter zu erzeugen, wird das Material relativ zur Laserstrahlung senkrecht bewegt, d. h. aus der Zeichnungsebene heraus oder in die Zeichnungsebene hinein. Ein Lichtleiter wird somit gemäß der transversalen Technik erstellt. Die Lichtleitung erfolgt somit ebenfalls senkrecht zur Zeichnungsebene im Bereich der erzeugten Spannungen 123.

Ab einer dritten Pulsenergieschwelle von etwa 400 Nanojoule, im Folgenden als nJ abgekürzt, treten für Pulsdauern oberhalb von etwa 200 fs Modifikationen im sogenannten dritten Regime 3 300 auf. Die dritte Pulsenergieschwelle ist mittels der dritten

Schwellenwertfunktion 30 angedeutet. Die Strukturierung 130 zeigt große

Brechungsindexänderungen, die jedoch mit starken Materialschädigungen 132 und

Spannungen 133 verknüpft sind. Exemplarisch ist diese in dem dritten Einschubbild 13 angedeutet.

Die in Figur 1 gezeigten Werte sind exemplarisch zu verstehen und von dem zu

strukturierenden Material sowie den konkret verwendeten optischen Fokussierbedingungen etc. abhängig. Die erzeugten Strukturierungen, die in Fig. 1 sowie 2 und 3 dargestellt sind, sind ebenfalls nur als exemplarisch und schematisch anzusehen.

Ferner kann es bei der Strukturierung von Materialien an der Oberfläche oder

oberflächennah zu Ablationen kommen, die ebenfalls sehr unerwünscht sind und die brechungsindexbezogene Strukturierung stören bzw. unmöglich machen.

Für die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur direkten laserinduzierten Strukturierung von Material bestehen somit erhebliche Beschränkungen beim Erzeugen von Strukturierungen, insbesondere oberflächennahen Strukturierungen, die beispielsweise als optische Komponenten, beispielsweise für optische Sensoren, genutzt werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden von laserinduzierten Oberflächenstrukturierungen oder oberflächennahen Strukturierungen zu schaffen, die die oben genannten Beschränkung beseitigen oder minimieren. Insbesondere ist es wünschenswert, Monomode-ähnliche Wellenleiterstrukturen als Strukturierungen erzeugen zu können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des

Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen der Strukturierungen gemäß dem Patentanspruch 1 1 gelöst.

Als oberflächennaher Strukturierung wird eine Strukturierung des Materials angesehen, die nahe unterhalb der Oberfläche des Materials ausgebildet ist, wobei ein Abstand von der Oberfläche kleiner als eine Ausdehnung der Strukturierung ist. Als Oberflächenstrukturierung wird eine Strukturierung angesehen, die sich bis an die Oberfläche erstreckt, d. h. die an einer Seite durch die Oberfläche selbst begrenzt ist.

Das Verfahren zum Erzeugen laserinduzierter oberflächennaher optischer Strukturierungen oder Oberflächenstrukturierungen im Material eines Körpers umfasst die Verfahrensschritte: Erzeugen von gepulster Laserstrahlung;

Fokussieren der gepulsten Laserstrahlung mittels einer Fokussieroptik;

Einstrahlen der gepulsten Laserstrahlung auf eine Oberfläche des Materials des Körpers; wobei

Strahlen der fokussierten gepulsten Laserstrahlung, die beim Einstrahlen auf Material des

Körpers auf die eine Oberfläche des Materials des Körpers gerichtet sind, mit der Oberfläche am Auftreffpunkt einen Winkel einschließen, welcher kleiner oder gleich dem ganzen

Öffnungswinkel der Fokussieroptik ist. Der ganze oder maximale Öffnungswinkel a _max der

Fokussieroptik ist unmittelbar mit der numerischen Apertur NA der Fokussieroptik verknüpft, die gegeben ist durch:

NA = n - sin^ 2 ,

wobei n der Brechungsindex des Mediums ist, in dem sich die Strahlung ausbreitet.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass in diesem Falle an der Oberfläche oder knapp unterhalb der Oberfläche im Inneren des zu strukturierenden Materials des Körpers homogene Strukturen mit einem deutlich größeren Brechungsindexunterschied als im aus dem Stand der Technik bekannten Modifikationsregime 1 erzeugbar sind, ohne dass störende Materialschädigungen auftreten. Die Erfindung ermöglicht es somit die Vorteile der Modifikationsregime 1 und 2 des Standes der Technik zu vereinen und mithilfe von kurzen Laserpulsen, die nur wenige Schwingungszyklen des elektrischen Feldes aufweisen, Mikrostrukturen zu erzeugen, die homogen sind, eine hohe Brechungsindexänderung gegenüber dem Ausgangsmaterial zeigen und keine unerwünschten Materialschäden hervorrufen. Es sind somit Gleichförmigkeit und Freiheit von Materialschäden erreichbar, wie sie für optische Strukturen gemäß dem Modifikationsregime 1 aus dem Stand der Technik bekannt sind, ebenso wie die Eigenschaften des Modifikationsregimes 2, nämlich zum einen die Möglichkeit große Strukturierungen zu schaffen und zum anderen Strukturierungen mit hohen Brechungsindexänderungen gegenüber dem Ausgangsmaterial zu erzeugen.

Es lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Strukturen an der Oberfläche oder in einem Bereich unmittelbar unter der Oberfläche erzeugen, die in ihren optischen

Eigenschaften denen von handelsüblichen Monomode-Lichtwellenleitern nahezu entsprechen. Dies ermöglicht es, nahezu beliebige optische Strukturen wie beispielsweise Lichtwellenleiter, Splitter, Koppler, Interferometer und photonische Strukturen nahe der Substratoberfläche des Körpers zu schaffen. Diese Strukturen können flexibel und kostengünstig hergestellt werden

Besonders bevorzugt werden die Strukturierungen so ausgebildet, dass die erzeugte

Strukturierung bis an die eine Oberfläche des Materials reicht. Dieses bedeutet, dass die Strukturierung mit dem veränderten, insbesondere erhöhten, Brechungsindex gegenüber dem Brechungsindex des Ausgangsmaterials des Körpers an der Oberfläche von der Oberfläche selbst begrenzt ist.

Vorzugsweise wird der Fokus auf die Oberfläche des Körpers oder auf eine Position in einen Bereich im Innern des Körpers unterhalb der Oberfläche eingestellt, wobei der Abstand des Fokus von der Oberfläche kleiner als ein Durchmesser, bevorzugter kleiner als ein Radius, der Laserstrahlung im Fokus des Materials ist. Hierdurch lassen sich optimale

Strukturierungsergebnisse erreichen. Als Radius wird hier der Abstand vom Mittelpunkt der ein rotationssymmetrisches Strahlprofil aufweisenden Strahlung im Fokus senkrecht zur Ausbreitungsrichtung bezeichnet, an dem die Intensität der Strahlung auf 1/e ² abgefallen ist. e ist hierbei die Eulersche Zahl.

Die Strukturierung wird vorzugsweise mit einer Laserstrahlung vorgenommen, die in Luft einen Fokusdurchmesser von weniger als 10 pm, bevorzugt zwischen 0,5 pm und 7 pm und am bevorzugtesten zwischen 1 und 3 pm aufweist. Mit diesen Durchmessern lassen sich gut homogene, parallel zur Oberfläche ausgedehnte Strukturierungen erzeugen, deren

Ausdehnungen parallel zur Oberfläche größer als der Durchmesser des Fokus der

Lasterstrahlung sind.

Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, das Fokussieren der Laserstrahlung mittels einer spiegelnden Optik als Fokussieroptik auszuführen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Strahleigenschaften, insbesondere eine Pulsdauer und eine chromatische Aberration, durch die Fokussierung möglichst wenig beeinträchtigt werden. Dies ist wichtig, da die Wechselwirkung mit dem Material im nichtlinearen Bereich stattfindet und somit die Eigenschaften der Laserstrahlung einen entscheidenden Einfluss auf die Wechselwirkung mit dem Material haben.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die gepulste Laserstrahlung eine Pulsdauer von kleiner 40 fs aufweist. Bevorzugt werden sehr kurze Laserpulse mit möglichst kurzen Pulsdauern, bevorzugt von 10 fs oder weniger. Hierdurch wird der Energiebereich, in dem die Pulsenergien liegen können, um eine homogene und zerstörungsfreie Strukturierung zu erhalten, deutlich vergrößert. Somit werden vorzugsweise Laserpulse verwendet, die nur wenige

Schwingungszyklen des elektrischen Felds aufweisen. Im Englischen werden solche Pulse auch als few-cycle Laserpulse bezeichnet.

Bei einer vorgegebenen Pulsdauer ist somit die benötigte Pulsenergie zum Erzeugen der gewünschten Strukturierungen geringer als die Pulsenergie, die bei gleicher Pulsdauer nötig ist, um gemäß dem Stand der Technik eine Modifikation gemäß dem zweiten

Modifikationsregime auszuführen.

Bei einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass eine Pulsenergie der einzelnen Pulse der gepulsten fokussierten Laserstrahlung oder des auf die eine Oberfläche auf treffenden Teils der gepulsten fokussierten Laserstrahlung geringer als eine Schwellenwertpulsenergie ist, ab der bei einer senkrechten Einstrahlung auf die eine Oberfläche eine Modifikation gemäß dem zweiten Modifikationsregime auftritt.

Die benötigte Pulsenergie einzelner Pulse zur Erzeugung der oberflächennahen

Strukturierungen oder Oberflächenstrukturierungen unter den angegebenen flachen Winkeln relativ zur Oberfläche des zu strukturierenden Materials ist kleiner als die Pulsenergie für eine Oberflächenablation bei senkrechter Einstrahlung auf die Oberfläche. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegen sämtliche Pulsenergien jeweils bezogen auf die jeweilige Pulsdauer unterhalb eines Pulsenergieschwellenwertes für eine Laserablation bei senkrechter Einstrahlung.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegen sämtliche Pulsenergien jeweils bezogen auf die jeweilige Pulsdauer jedoch oberhalb der entsprechenden Schwellenenergie für das erste Modifikationsregime.

Die Energieschwellen für die Modifikationsregime lassen sich für ein zu strukturierendes Material dadurch ermitteln, dass für senkrechte Laserpulseinstrahlung die Modifikationen untersucht werden.

Da bei einer sehr flachen Einstrahlung der Laserstrahlung auf die eine Oberfläche ein Teil des Lichts, welches aus der Fokussieroptik austritt nicht auf diese eine Oberfläche des Körpers auftrifft, sondern auf eine andere Oberfläche des Körpers auftreffen würde, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform ein Teil der Laserstrahlung abgeblockt, sodass der nicht abgeblockt Teil der gepulsten Laserstrahlung nur auf die eine Oberfläche auftrifft.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Teil der Laserstrahlung vor dem Auftreffen auf die Fokussieroptik abgeblockt. Dieses Abblocken erfolgt vorzugsweise nahe der

Eintrittsöffnung der Fokussieroptik. Bei anderen Ausführungsformen wird das Abblocken eines Teils der Laserstrahlung in der Fokussieroptik oder nach der Fokussieroptik, d. h. zwischen der Fokussieroptik und dem zu strukturierenden Körper ausgeführt.

Das Abblocken kann beispielsweise über ein„Ausspiegeln“ eines Teils der Laserstrahlung erfolgen. Hierdurch kann die mit dem abgeblockt Teil der Strahlung verknüpfte Energie an einem Ort entfernt von der Fokussieroptik und dem zu strukturierenden Körper absorbiert und/oder an eine andere Energieform umgewandelt werden. Andere Ausführungsformen sehen vor, dass das Abblocken in einem Absorber stattfindet.

Um parallel zur Oberfläche des Körpers ausgedehnte oberflächennahe Strukturierungen oder Oberflächenstrukturierungen zu erzeugen, ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass der zu strukturierende Körper und die fokussierte Laserstrahlung relativ zueinander in einer Ebene parallel zu der Oberfläche des Körpers bewegt werden, d.h. der zu

strukturierende Körper und der Fokus der Laserstrahlung relativ zueinander bewegt werden.

Die Bewegungsgeschwindigkeit wird abhängig von dem zu strukturierenden Material, der verwendeten Pulsdauer und der Pulsenergie sowie einer Fokusgröße und Fokusposition gewählt.

Um die erfindungsgemäß gebildeten laserinduzierten Oberflächenstrukturierungen oder oberflächennahen Strukturierungen mit anderen Strukturierungen im Volumen zu verbinden, ist bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Körper zusätzlich relativ zu der fokussierten Laserstrahlung verkippt wird, so dass der Auftreffwinkel der fokussierten Laserstrahlung größer als der Öffnungswinkel der Fokussieroptik ist und der Fokus ins Volumen des Körpers bewegt wird, so dass durch Laserpulse im Volumen laserinduzierte Strukturen erzeugt werden, die an die ausgedehnte laserinduzierten

Oberflächenstrukturierungen angrenzen. Hierdurch werden jedoch keine weiteren

Oberflächenstrukturierungen geschaffen, sondern eine Strukturierung im Innern im Volumen des Materials des Körpers vorgenommen. Diese werden vorzugsweise gemäß der longitudinalen Technik im ersten Modifikationsregime ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann der Körper senkrecht zur ursprünglichen Orientierung der einen Oberfläche bewegt werden. Das Laserlicht dringt dann gegebenenfalls über eine andere Oberfläche des Körpers in das Material ein. Da die Fokuslänge der Fokussieroptik von dem Brechungsindex der Materie bzw. des Raums zwischen Fokussieroptik und Fokusposition abhängig ist, ist die Fokuslänge in Luft oder Vakuum von der Fokuslänge im Innern des Materials des Körpers verschieden. Um Anschlussstrukturierungen an eine Oberflächenstrukturierung oder eine oberflächennahe Strukturierung im Innern des Körpers auszubilden ist daher zusätzlich in der Regel eine weitere Relativbewegung parallel zur ursprünglichen Orientierung der einen Oberfläche des Körpers notwendig.

Für die Herstellung einer solchen oberflächennahen Strukturierung oder einer

Oberflächenstrukturierung wird eine Vorrichtung zum Erzeugen laserinduzierter optischer oberflächennaher Strukturierungen in einem Material eines Körpers vorgeschlagen, die umfasst: einen Laser zum Erzeugen von gepulster Laserstrahlung; eine Fokussieroptik zum Fokussieren der gepulsten Laserstrahlung und erzeugen gepulster fokussierter

Laserstrahlung; wobei die Fokussieroptik relativ zu dem Material so angeordnet ist, dass die gepulste fokussierte Laserstrahlung auf das Material des Körpers eingestrahlt wird, wobei die Fokussieroptik relativ zu dem Material so angeordnet ist, dass Strahlen der fokussierten gepulsten Laserstrahlung, die beim Einstrahlen auf den Körper auf eine Oberfläche des Materials des Körpers gerichtet sind, mit der Oberfläche am Auftreffpunkt einen Winkel (ß) einschließen, welcher kleiner oder gleich dem ganzen Öffnungswinkel (a _max ) der

Fokussieroptik ist.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, in dem die Pulsenergie über der Pulsdauer aufgetragen ist, um unterschiedlichen Modifikationsregime gemäß dem Stand der Technik zu veranschaulichen (Stand der Technik);

Fig. 2 eine beispielhafte laserinduzierte Strukturierung nach dem Stand der Technik gemäß dem Modifikationsregime 1 (Stand der Technik);

Fig. 3 eine beispielhafte laserinduzierte Strukturierung nach dem Stand der Technik gemäß dem Modifikationsregime 2 (Stand der Technik); Fig. 4 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zum laserinduzierten Strukturieren von Materialien;

Fig. 5 einen weiteren schematischen Aufbau einer Vorrichtung zum laserinduzierten

Strukturieren von Materialien;

Fig. 6 eine beispielhafte Phasenkontrastmikroskopaufnahme eines strukturierten

Materials; und

Fig. 7 eine schematische Querschnittdarstellung durch einen Körper mit einer

Oberflächenstrukturierung.

In Fig. 4 ist schematisch ein Aufbau einer Vorrichtung 1000 zum Erzeugen oberflächennaher Strukturierungen oder Oberflächenstrukturierungen 11 10 in einem Material 1 100 eines Körper 1 101 gezeigt. Die Vorrichtung 1000 umfasst ein Lasersystem 1200, welches kurze Laserpulse mit Pulsdauern im Femtosekundenbereich und hoher Energie bereitstellt. Das Lasersystem 1200 kann einen sogenannten Seedlaser 1210 sowie eine

Verstärkereinrichtung 1220, sowie gegebenenfalls Pulsformungseinrichtungen 1230 umfassen. Die einzelnen Komponenten des Lasersystems 1200 sind nur exemplarisch und beispielhaft aufgeführt.

Die von dem Lasersystem 1200 erzeugte Laserstrahlung 1300 wird auf eine Fokussieroptik 1400 geführt. Die Fokussieroptik 1400 ist vorzugsweise als spiegelnde Fokussieroptik ausgeführt. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die Pulseigenschaften, insbesondere deren Pulsdauer nicht oder nur minimal verändert wird. Bevorzugt wird ein sogenanntes Schwarzschilddesign.

Die Fokussieroptik 1400, welche in der Regel einem reflektiven Mikroskopobjektiv gleicht, weist einen sogenannten maximalen Öffnungswinkel a _max für die aus der Fokussieroptik

1400 austretende fokussierte Laserstrahlung 1310 auf. Dieses ist der maximale Winkel, unter dem sich Strahlen 1311 , 1312, 1313, 1314 der fokussierten Laserstrahlung 1310 schneiden. Anschaulich ist dies der Winkel zwischen einhüllen Strahlen 131 1 , 1312. Die numerische Apertur NA der Fokussieroptik 1400 lässt sich mithilfe des Brechungsindex n des Materials, in der Regel Luft oder Vakuum, zwischen der Fokussieroptik 1400 und dem

Material 1 100 des zu strukturierenden Körpers 1101 und diesem maximalen Öffnungswinkel

O _max gemäß folgender Formel ausdrücken:

NA = n - sin^ 2 . Die fokussierte Laserstrahlung 1310 wird auf eine Oberfläche 1 150 des Materials 1 100 bzw. des Körpers 1 101 eingestrahlt. Dieses erfolgt so, dass ein maximaler Winkel ß _max zwischen auftreffenden Strahlen 131 1 -1314 und der einen Oberfläche 1 150, gemessen gegen die Oberfläche 1 150, kleiner als der maximale Öffnungswinkel a _max der Fokussieroptik 1400 oder gleich dem maximale Öffnungswinkel c der Fokussieroptik 1400 ist.

Der Fokus ist hierbei auf der Oberfläche 1 150 oder im Inneren des Materials 1 100 unmittelbar unter die Oberfläche 1 150 angeordnet. Ein maximaler Abstand des Fokus von der Oberfläche 1 150 ist vorzugsweise kleiner als ein Durchmesser der Laserstrahlung im Fokus, noch bevorzugter kleiner als ein Radius der Laserstrahlung im Fokus, gewählt. Ein Fokusdurchmesser der fokussierten Laserstrahlung 1310 liegt in der Größenordnung von vorzugsweise kleiner 10 pm bevorzugt im Bereich zwischen 1 pm und 7 pm und besonders bevorzugt im Bereich von 1 ,5 pm bis 3 pm, wobei sich diese Werte jeweils auf eine

Fokusgröße beziehen, die sich in Luft bzw. Vakuum, d. h. in Abwesenheit des zu

strukturierenden Materials ergibt.

Der das zu strukturierende Material 1 100 aufweisende Körper 1 101 ist bei der dargestellten Ausführungsform mit einer mechanischen Bewegungseinheit 1500 verbunden, die ausgebildet ist, den Körper 1 101 und somit das zu strukturierende Material 1 100 parallel zur Oberfläche 1 150 des zu strukturierenden Materials 1 100 zu bewegen. Hierdurch ist es möglich, ausgedehnte oberflächennahe Strukturierungen oder Oberflächenstrukturierungen 1 1 10 in dem Material 1 100 zu erzeugen. Diese vereinigen die Vorteile, die

Materialmodifikationen nach dem Stand der Technik in den Modifikationsregimen 1 und 2 aufweisen. Es lassen sich somit große Brechungsindexunterschiede der Strukturierungen 1 1 10 gegenüber dem umgebenden Material 1 100 erreichen. Ferner können die

Strukturierungen 1 1 10 ausgedehnt und homogen erzeugt werden. Hierdurch lassen sich auch Strukturierungen 1 1 10 schaffen, welche in ihren Eigenschaften vergleichbar mit Monomodefasern sind.

Als Material wird vorzugsweise Quarzglas gewählt, welches im englischen als„fused silica“ bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um nicht kristallines Quarzglas, d. h. in der Regel amorphes Siliziumdioxid, S1O2. Es können jedoch mit dem beschriebenen Verfahren bzw. der beschriebenen Vorrichtung auch andere Materialien strukturiert werden. Die Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung kann angepasst an das jeweilige Material gewählt werden. Das Material sollte für die Laserstrahlung, welche zur Strukturierung verwendet wird, transparent sein, d. h. eine ausreichende Transmission aufweisen, sodass keine nennenswerte Absorption des Lichts der Laserstrahlung auftritt. Die Strukturierung des Materials erfolgt dann über nichtlineare Effekte aufgrund der hohen Pulsenergie mit den Laserpulsen, welche nur wenige Schwingungszyklen des elektrischen Felds umfassen.

Zum Ausbilden einer ausgedehnten oberflächennahen Strukturierung oder

Oberflächenstrukturierung ist es lediglich erforderlich, dass der Fokus der Laserstrahlung relativ zu dem Material, welches strukturiert werden soll, bewegt wird. Dies kann wie in der oben beschriebenen Ausführungsform über eine mechanische Bewegung des Materials bzw. des entsprechenden Körpers parallel zu der Oberfläche des zu strukturierenden Materials mittels einer Bewegungseinheit erfolgen. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch möglich, auch die Laserstrahlung zu bewegen, welches in der Regel über eine mechanische

Bewegung der Fokussieroptik relativ zu dem Körper bzw. dem zu strukturierenden Material erfolgen kann. Auch hier erfolgt die relative Bewegung so, dass der maximale Winkel ß _max zwischen auf die Oberfläche des zu strukturierenden Materials auftreffenden Strahlen und der Oberfläche selbst geringer als der maximale Öffnungswinkel a _max der Fokussieroptik ist. Somit erfolgt die Bewegung der Fokussieroptik und des Körpers jeweils parallel zur

Oberfläche des zu strukturierenden Materials.

In Figur 5 ist schematisch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 1000 zum

Ausbilden oberflächennaher laserinduzierter Strukturierungen oder

Oberflächenstrukturierungen 11 10 in einem Material 1100 eines Körpers 1 101 dargestellt. Gleiche technische Merkmale der Figuren 4 und 5 sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und nur einmal detailliert beschrieben.

Bei dieser Alternative erfolgt die Einstrahlung der fokussierten Laserstrahlung 1310 so flach auf die Oberfläche 1 150, dass ein Teil der Strahlen 1312, 1314, sofern sie nicht blockiert werden, nicht auf die Oberfläche 1 150 des Materials 1 100, sondern auf eine Seitenkante 1 180 des Materials 1 100 bzw. des Körpers 1101 treffen. Diese über die Seitenkante 1180 des Materials 1 100 eintretenden Strahlen 1312, 1314 der fokussierten Laserstrahlung 1310 verursachen aufgrund von Aberrationen verlängerte , in der Regel unerwünschte,

Strukturierungen 1190.

Die Strahlen 1312, 1314 sind teilweise gestrichelt dargestellt, da diese, um die

beschriebenen unerwünschten Effekte zu vermeiden, mittels einer Blockiereinrichtung 1600 abgeblockt werden. Diese Blockiereinrichtung 1600 kann als Absorber 1601 ausgebildet sein. Möglich wäre es auch, den zu blockierenden Teil der Strahlung aus dem Strahlengang der fokussierten Laserstrahlung 1310 auszuspiegeln. Das Blockieren dieses Anteils der Laserstrahlung muss nicht zwischen der Fokussieroptik 1400 und dem zu strukturierenden Material 1100 bzw. Körper 1101 erfolgen, sondern kann auch in der Fokussieroptik 1400 oder bereits vor der Fokussieroptik 1400 erfolgen. Da auf die Fokussieroptik 1400 in der Regel aufgeweitete Laserstrahlung 1300 gerichtet wird, kann das Blockieren eines Teils der Laserstrahlung 1300 bereits vor dem Eintritt in die Fokussieroptik 1400 erfolgen. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass der Bauraum zwischen der Fokussieroptik 1400 und dem zu strukturierenden Material 1100 nicht eingeschränkt wird.

Auch bei dieser Ausführungsform ist es vorgesehen, eine Relativbewegung zwischen dem Teil der fokussierten Laserstrahlung 1310, der auf die Oberfläche 1150 des zu

strukturierenden Materials 1100 auftrifft, und dem zu dem strukturierenden Material auszuführen. Hierfür ist erneut die Bewegungseinheit 1500 vorgesehen.

Die Ausbreitungsrichtung der fokussierten Laserstrahlung 1310 ist bei dieser

Ausführungsform vorzugsweise parallel zu der Oberfläche 1 150 des Körpers 1101 ausgerichtet. Die Ausbreitungsrichtung ist jene Richtung entlang der sich die Laserstrahlung ohne Anwesenheit des Körpers im Raum ausbreitet.

In Figur 6 ist schematisch eine Phasenkontrastmikroskopaufnahme 2440 einer Probe dargestellt, die mit einer Vorrichtung ähnlich zu der nach Figur 5 strukturiert ist, wobei die über die Seitenkante 1 180 des Materials 1 100 der Probe eintretenden Strahlen 1312, 1314 zum Zwecke der Veranschaulichung der auftretenden Effekte nicht blockiert wurden

(vergleiche Fig. 5).

Links ist die erfindungsgemäße Strukturierung 11 10 zu erkennen, die einen hohen

Brechungsindexunterschied gegenüber dem Brechungsindex des Ausgangsmaterials aufweist. Rechts sind durch Aberration verlängerte, unerwünschte Strukturierungen 1190 zu erkennen, die durch den nicht abgeblockten Teil der Strahlen 1312, 1314 der fokussierten Laserstrahlung 1310 verursacht sind, die über eine Seitenkante 1 180 des Materials eingetreten sind. Deren Fokusposition, an der diese die unerwünschten Strukturierungen 1 190 ausgeführt haben, liegt deutlich entfernt von der Fokusposition, der über die Oberfläche 1 150 auftreffenden Strahlen 1311 , 1313.

Um die oberflächennahen Strukturierungen oder Oberflächenstrukturierungen, welche monomodefaserähnliche optische Eigenschaften erreichen können, an im Volumen ausgebildete Strukturen anschließen zu können, ist bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Bewegungseinrichtung das zu strukturierenden Material bzw. den Körper mit dem zu strukturierenden Material und/oder die Abbildungsoptik so relativ zueinander verschwenkt, dass eine Einstrahlung unter Winkeln vorgenommen werden kann, welche deutlich größer als der maximale Öffnungswinkel der Fokussieroptik sind. Hierdurch kann beispielsweise eine Strukturierung gemäß der longitudinalen Technik vorgenommen werden um die oberflächennahen erfindungsgemäßen Strukturierungen oder

Oberflächenstrukturierungen mit im Volumen ausgebildeten Anschlussstrukturen zu versehen und/oder zu verbinden.

Alternativ kann auch eine laterale Bewegung parallel zur der Oberfläche des Körpers gekoppelt mit einer Bewegung senkrecht hierzu verwendet werden, um die

Anschlussstrukturen im Innern des Materials des Körpers auszubilden. Dieses kann beispielsweise erfolgen, indem die über die Seitenkante eindringenden Laserstrahlen, die in Fig. 6 die unerwünschten Strukturierungen erzeugt haben, über eine geeignete

Relativbewegung von Körper 1001 und Fokussieroptik 1400 im Volumen des Materials des Körpers die Anschlussstruktur oder die Anschlussstrukturen 1 120, 1 121 (vergl. Fig. 7) ausbilden. Dieses kann analog der longitudinalen Technik aus dem Stand der Technik erfolgen.

Die Einstrahlung der Laserstrahlung zum Ausbilden der Anschlussstrukturen muss nicht über die eine Oberfläche erfolgen, sondern kann auch über die Seitenkanten 1180, 1 181 des Körpers 1 101 erfolgen (vergleiche Fig. 7).

In Fig. 7 ist schematisch ein Querschnitt durch einen Körper 1 101 aus einem Material 1100 dargestellt, an dessen einen Oberfläche 1 150 eine Oberflächenstrukturierung 11 10 gemäß dem hier beschriebenen Verfahren ausgebildet ist. Die Oberflächenstrukturierung 1 110 ist zu der Oberseite 1 150 des Körpers 1101 durch diese Oberfläche 1 150 begrenzt. Dies bedeutet, dass sich die Oberflächenstrukturierung 11 10 mit dem erhöhten Brechungsindex gegenüber dem Brechungsindex des Material 1100 Innern des Körpers 1 101 bis an die Oberfläche 1150 des Körpers 1101 erstreckt. Parallel zu der Oberfläche 1150 ist die

Oberflächenstrukturierung 1 110 homogen und ausgedehnt ausgebildet. An Enden 1 115,

1 116 der Oberflächenstrukturierung 1 110 sind Anschlussstrukturen 1 121 , 1122 ausgebildet. Diese Anschluss Strukturen erstrecken sich von der Oberflächenstrukturierung 11 10 ins Innere des Materials 1 100 jeweils zu den gegenüberliegenden Seitenkanten 1180, 1 181. Hierdurch wird es möglich Licht über eine der Seitenkanten 1180, 1 181 in eine der

Anschlussstrukturen 1121 , 1 122 einzukoppeln, die dann das Licht zu der

Oberflächenstrukturierung 1 1 10 leitet. Über die entsprechende andere der Anschluss Strukturierungen 1121 , 1 122 kann das Licht dann wieder aus dem Körper 1101 herausgeleitet werden. Auf der Oberfläche 1150 befindliche Substanzen oder mit der Oberfläche 1 150 in Kontakt befindliche Probekörper (beide nicht dargestellt) können die Lichtleitung im Bereich der Oberflächenstrukturierung 1 110 beeinflussen. Diese

Veränderungen der Lichtleitung können erfasst und ausgewertet werden. Somit kann eine Oberflächenstrukturierung 11 10 als ein optischer Sensor verwendet werden.

Die Anschlussstrukturen 1121 , 1 122, können als Modifikationen im ersten

Modifikationsregime, beispielsweise gemäß der longitudinalen Technik ausgeführt werden.

Andere Ausführungsformen sehen vor, dass sich die Oberflächenstrukturierung 1 110 in dem Körper 1 101 bis zu den Seitenkanten 1 180, 1181 oder bis zu einer Seitenkante 1180 erstreckt, sodass ohne die Verwendung von Anschlussstrukturen Licht in die

Oberflächenstrukturierung über eine der Seitenkanten des Körpers des Materials eingekoppelt werden kann. Diese Ausführungsform ist durch eine gestrichelte Linie 1110-a angedeutet sein, welche eine Abgrenzung der fortgesetzten Strukturierung 1 110 zum Rest des Materials 1 100 darstellt. Bei dieser Ausführungsform fehlen dann die

Anschlussstrukturen 1120, 1 121.

Zu beachten ist, dass die erfindungsgemäße Strukturierung, beispielsweise von Quarzglas, unter sehr flachem Einfallswinkel bei Pulsenergien möglich ist, die unterhalb der

Pulsenergien liegen, welche für ein Herbeiführen einer Modifikation im Modifikationsregime 2 jedoch oberhalb der Schwellenenergie für Materialmodifikationen im Modifikationsregime 1 liegen. Je kürzer die Pulsdauer der zur Erzeugung verwendeten kurzen Laserpulse ist, desto größer ist die Pulsenergiespanne, zwischen der Schwellenenergie für die

Materialmodifikationen im Modifikationsregime 1 und der Schwellenenergie für

Materialmodifikationen im Modifikationsregime 2. Daher werden zum Ausbilden der

Oberflächenstrukturierung vorzugsweise Pulsdauern im Bereich von 10 Fremdsekunden und weniger verwendet.

Bezugszeichenliste

1 erstes Modifikationsregime

2 zweites Modifikationsregime

3 drittes Modifikationsregime

10 erste Schwellenwertfunktion

1 1 Einschubbild

12 Einschubbild

13 Einschubbild

20 zweite Schwellenwertfunktion

30 dritte Schwellenwertfunktion

80 Ordinate

90 Abszisse

100 Bereich des ersten Modifikationsregimes

1 10 Strukturierung

115 Einstrahlrichtung

116 Maßstab

120 Strukturierung

122 Materialschäden

123 Spannungen

126 Maßstab

130 Strukturierung

132 Materialschädigungen

200 Bereich des zweiten Modifikationsregimes

300 Bereich des dritten Modifikationsregimes

410 Phasenkontrastmikroskopaufnahme

420 Phasenkontrastmikroskopaufnahme

1000 Vorrichtung

1 100 Material

1 101 Körper

1 110 Strukturierung

1 110-a Line zum Andeuten der Fortsetzung der Strukturierung 1 115, 1 116 Ende der Strukturierung

1 120,1 121 Anschlussstrukturen

1 150 Oberfläche

1 180, 1 181 (einander gegenüberliegende) Seitenkanten 1 190 verlängerte, unerwünschte Strukturierungen

1200 Lasersystem

1210 Seedlaser

1220 Verstärkereinrichtung

1230 Pulsformungseinrichtungen

1300 Laserstrahlung

1310 fokussierte Laserstrahlung

131 1 Strahlen

1400 Fokussieroptik

1500 Bewegungseinheit

1600 Blockiereinrichtung

1601 Absorber

2440 Phasenkonstrastmikroskopaufnahme

Gmax maximale Öffnungswinkel der Fokussieroptik

ßmax maximaler Winkel zwischen auftreffenden Strahlen und Oberfläche