Der Meißel der Nanostrukturierung: Lichtpulse aus dem Femtosekundenlaser

Aus Mikro wird Nano und aus Nano Femto – so könnte man glossieren, was zur Zeit in der Laser-Materialstrukturierung abläuft. Die Strukturgrößen rücken in den Nanometerbereich, und was vor wenigen Jahren noch mit Nanosekunden-Laserpulsen (einige 10-9s) geschafft wurde, besorgen jetzt Femtosekunden-Impulse (einige 10-15s) präziser und flexibler. Dabei wurde der Pikosekundenbereich glatt übersprungen!

Seit über 6 Jahren führt das Laser Zentrum Hannover e.V. Forschungsarbeiten zur Mikro- und Nanomaterialbearbeitung mit Femtosekundenlasern durch. Die Forscher lernten dabei den Vorteil schätzen, dass Strukturgrößen bis hinunter zu einigen Mikrometern einfach und schnell ohne Vakuumtechnologie realisierbar sind. Den ultrakurzen, aber hochintensiven Lichtstößen widersteht praktisch kein Material. Es wird exakt am Ort des Auftreffens impulsiv und praktisch rückstandsfrei abgetragen. Dabei kann die Tiefe des Abtrags einfach durch die Zahl der applizierten Laserimpulse vorgegeben werden.

Aufgrund der scharf definierten Ablationsschwelle ist es sogar möglich, nur mit der Spitzenintensität eines fokussierten Laserstrahls Material abzutragen. Der Effekt dabei: Man trägt nur im Inneren des wenige Mikrometer messenden Auftreffflecks Material ab, d.h. man gelangt zu Strukturen unterhalb der Beugungsgrenze des Laserstrahls. Mit dieser Technik können reproduzierbar Strukturen kleiner als 100 nm in nahezu allen Festkörpermaterialien – auch „photonischen“ Materialien – hergestellt werden.
Dies ist ein Signal an die optische Kommunikationstechnologie. Dort wird die Mikro- und Nanostrukturierung immer wichtiger. Eine ’kleine Revolution’ ist zu erwarten mit der Etablierung von mikro-optischen Schaltern, Routern in integriert-optischen Elementen, optischen Gattern und vielen anderen Applikationen. Die Voraussetzung dafür ist, dass die entsprechende Prozesstechnologie für die Mikro- und Nanostrukturierung vorhanden ist.

Ganz neue, „aufregende“ Bauelement der Photonik sind sog. photonische Kristalle. Mit dem Kristall der Mineralogie habe sie nichts tun. Gemeint ist mit dieser Bezeichnung, dass sich in ihnen Licht in räumlicher Strukturierung, bestimmten Moden, ausbreitet und sogar in engen Radien quasi um die Ecke laufen kann. Dazu müssen aber diese „Kristalle“ – das sind optische Gläser – selbst räumlich strukturiert werden. Erste Ansätze zum Aufbau solcher Gebilde gibt es mit Lithographieprozessen, doch diese Prozesse sind aufwendig und teuer. Sie bestehen aus vielen einzelnen Prozessschritten und sind somit extrem unflexibel. Hier schlägt nun die Stunde der Bearbeitung mit Femtosekunden-Laserimpulsen.
In kürzester Zeit lassen sich neue photonische Designs ohne aufwendige Lithographie umsetzen. Materialien wie z. B. Saphir oder Siliziumcarbid, die im Lithographieprozess nicht modifiziert werden können, lassen sich ebenso einfach mit diesem Laser bearbeiten wie die aus der Halbleitertechnologie bekannten Materialien Galliumarsenid und Galliumnitrid. „Gerade das Strukturieren mit dem Femtosekundenlaser öffnet manche Türen für die moderne Photonik“ meint Frank Korte, Mitarbeiter am LZH.
Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ist eine durch Mittel des niedersächsischen Ministeriums für Wirtschaft, Technologie und Verkehr unterstützte Forschungs- und Entwicklungseinrichtung auf dem Gebiet der Lasertechnik.

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