3D diffraktive Elemente durch direktes fs-Laserschreiben

Diffraktive Optische Elemente (DOEs) sind Werkzeuge, um Licht praktisch beliebig zu formen. Sie finden zunehmend Anwendung in vielen Bereichen der Optik, zum Beispiel in der Laser- Materialbearbeitung oder der Bildgebung, wo Prozesse durch DOE-gestützte Parallelisierung um ein Vielfaches beschleunigt werden können. DOEs sind üblicherweise zweidimensional und werden durch Ätzen Mikrometer-großer Strukturen in die Oberfläche von Glasplättchen hergestellt. Für viele Anwendungen wären jedoch auch dreidimensionale DOEs interessant. Solche 3D DOEs könnten aus Voxeln bestehen, die man direkt in das Volumen von Glas einschreibt. Es ist bekannt, dass 3D DOEs eine äußerst hohe Sensitivität gegenüber der Licht-Einfallsrichtung und Wellenlänge aufweisen. Diese herausragende Empfindlichkeit könnte es ermöglichen, eine neue Klasse optischer Elemente zu erzeugen. So wäre es zum Beispiel denkbar, ein miniaturisiertes 3D DOE auf einen in der Mikroskopie üblichen Glas- Objektträger einzuschreiben, wo es die Unterscheidung verschiedener Zell-Typen nur auf Grund einer Analyse von reflektiertem Licht ermöglicht. Zurzeit unterliegt die praktische Realisierbarkeit von 3D DOEs einigen Limitierungen. Zum einen erfordert deren Design ab einem gewissen Komplexitätsgrad enormen rechnerischen Aufwand. Zum anderen fehlen adäquate Fabrikationstechniken, welche die Herstellung der erforderlichen Mirkometer-Strukturen in größeren Glastiefen mit einer ausreichenden Geschwindigkeit erlauben. Durch unsere Forschungsarbeit wollen wir signifikante Schritte in Richtung der praktischen Realisierbarkeit von 3D DOEs unternehmen. Wir planen die Entwicklung neuer Design-Algorithmen sowie einer neuen Fertigungsstrategie, die den hohen Anforderungen gerecht wird. Unser Ansatz basiert auf parallelisiertem direktem Femtosekunden-Laserschreiben, bei dem viele Voxel gleichzeitig in einem Glasvolumen durch Belichtung mittels Ultrakurzpuls-Laserfokusse erzeugt werden. Im Laufe des Forschungsprojektes wollen wir DOEs steigender Komplexität in Form von 2D, vielschichtigen und schließlich 3D designen und herstellen.

Das Projekt ist eine internationale Forschungskooperation zwischen dem Institut für Biomedizinische Physik an der Medizinischen Universität Innsbruck (MUI) in Österreich (Projektleiter: Alexander Jesacher) und dem Institut für Photonische Technologien an der Universität Erlangen-Nürnberg in Deutschland (Projektleiter: Michael Schmidt). Das Hauptziel unserer dreijährigen Forschung bestand darin, bedeutende Schritte in Richtung der Realisierung von Laser-fabrizierten Volumen-Hologrammen in Glas zu machen. Solche Elemente werden manchmal auch als aperiodische photonische Volumenelemente (APVE) bezeichnet und bestehen aus Hunderttausenden mikroskopischen 3D Pixeln ("Voxeln"), die mit einem fokussierten Laser direkt in das Glas eingeschrieben werden. APVEs sollen millimetergroße, funktionelle optische Elemente werden, die wichtige Aufgaben übernehmen können, wie zum Beispiel die Aufspaltung oder Zusammenführung von Licht gemäß bestimmter Eigenschaften (z.B. dessen Farb- Eigenschaften oder räumlicher Verteilung). APVEs könnten in Zukunft als Bausteine optischer Computer oder in der Glasfaser-basierten Telekommunikation Verwendung finden. Die Forschung wurde in zwei Arbeitspakete unterteilt: Das Erlanger Team konzentrierte sich auf die Herstellung der Elemente mittels Laserdirektschreiben in Glas. Das Innsbrucker Team entwickelte Methoden zur optischen Charakterisierung der in Erlangen hergestellten, dreidimensionalen Test-Voxel im Inneren von Glas sowie Computermethoden, um APVEs basierend auf diesen Messungen designen zu können. Die wichtigsten Fragestellungen waren die folgenden: 1. Wie sollte ein APVE strukturiert sein, um möglichst gut zu funktionieren? Wie sollten einzelne Voxel geformt bzw. wie sollten diese in 3D angeordnet sein? 2. Wie kann es gelingen, die optischen Eigenschaften einzelner Voxel mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmen? 3. Lassen sich hunderttausende Voxel mit ausreichender Reproduzierbarkeit herstellen? 4. Wie gut funktionieren APVEs in der Praxis? Welche Aufgaben können schon heute realistisch erfüllt werden? Bezugnehmend auf diese Fragestellungen konnten wir im Laufe des Forschungsprojektes viele wichtige Antworten finden: 1. Mittels Computersimulationen identifizierten wir eine bestimmte Voxelform und Anordnung, die sich vielversprechend im Hinblick auf eine praktische Umsetzung erwies. 2. Wir entwickelten eine optische Tomografiemethode, die einzelne Voxel mit jener hohen Genauigkeit charakterisieren kann, die für die Realisierung von APVEs notwendig ist. 3. Unsere Partner konnten zeigen, dass die Laserfabrikation eines APVEs in kurzer Zeit (~10 Minuten pro Element) und mit ausreichender Genauigkeit erfolgen kann. 4. In der finalen Projektphase konnten wir verschiedene APVEs designen und herstellen. Die gemessenen Lichteffizienzen bewegen sich im Bereich von 30% - 80% und sind um ein Vielfaches höher, als bisher erzielt wurde (~15%).