Mikrobearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen

Wir haben ein schnelles und hochauflösendes Verfahren entwickelt, mit dem beliebige diffraktive Optiken (sog. Diffractive Optical Elements - DOEs) direkt in ein Glasvolumen hineingeschrieben werden können. Dazu kombinieren wir einen galvanometrischen Scanner mit einer Mikroskop‑Optik (NA = 0,4) und einer 1‑ps‑Laserquelle, was schnelle und präzise Strukturierung erlaubt. Durch die starkes Fokussierung und die nicht-lineare Absorption entstehen sehr kleine, lokale Brechungsindex‑Änderungen (∆n ≈ 0,5 × 10⁻²), sodass es möglich wird, Pixelgrößen von 1,2 µm durch Einzelpulse zu erzeugen. Die resultierende Phase wird schichtweise in z-Richtung gestapelt, um mehrstufige Phasenmasken realisiert zu können (z. B. 4‑Level 250×250 px bei 2 µm und 10‑Level 416×416 px bei 1,2 µm). Zum Vergleich mit den berechneten Vorlagen werden die zugehörigen Phasenstrukturen im Phasenkontrastmikroskop sichtbar gemacht. Optische Tests bei 532 nm zeigen gute Wiedergabequalität der Zielbilder (Overlap > 80 % vs. der diskretisierten Maske) bei kurzen Fertigungszeiten (≈ 8–9 min für die hochauflösende Maske, ≈ 60 s für die 4‑Level‑Variante) – damit ist die Methode attraktiv für Prototyping und Kleinserien.

Die Ergebnisse sind veröffentlicht unter:
C. Ingenhag et al., Direct laser writing of in-volume diffractive optical elements with high speed and high resolution, Appl. Phys. B 132, 1 (2026)

In diesem Projekt untersuchen wir die Wirkung von nicht-linear absorbiertem Laserlicht auf die optischen Eigenschaften von Glas. Knapp über der Absorptionsschwelle erzeugen wir damit maßgeschneiderte Brechungsindexmodifikationen, welche sich als Bausteine zur Erzeugung beliebiger Phasenmasken nutzen lassen. Die benötigte Phasenverteilung wird per iterativem Fourier‑Transformationsverfahren (Gerchberg–Saxton) berechnet und die gewünschte Phasenverschiebung pro Pixel durch axiales Übereinanderschreiben mehrerer Modifikationen (z‑Stapeln) realisiert. Experimentell verwendeten wir ein ps‑Lasersystem mit µJ‑Energien, einen galvanometrischen Scanner und BK7‑Glasproben; typische Schreibparameter lagen bei einigen 100–1000 Pulsen pro Ort (z. B. 1000 × 15–20 µJ bei 100 kHz), wobei wir Δn ≈ 1.5 × 10⁻³ bestimmen konnten. Bei einer Diskretisierung auf Nz = 8 Ebenen und Pixelgrößen nahe der lateralen Modifikationsgröße (Δx ≈ 9–12 µm) entstanden Masken (z. B. 64×64 px), die in <10 min gefertigt werden konnten und in optischen Tests gut wieder erkennbare Intensitätsverteilungen zeigen. Als limitierende Effekte identifizierten wir die verbleibende Beugung in nullter Ordnung und Streuung durch die inhomogene Querschnittsform der Modifikationen; mögliche Verbesserungen umfassen kleinere Fokusvolumen, größere Beleuchtungsaperturen, angepasste Scanstrategien und algorithmische Vorabkompensation.

Die Ergebnisse sind veröffentlicht unter: A. Schüller‑Ruhl et al., Direct fabrication of arbitrary phase masks in optical glass via ultra‑short pulsed laser writing of refractive index modifications, Appl. Phys. B 128, 208 (2022)