Moleküle sortieren – Holographische Photopolymere für die diffraktive Optik

In der Materialbearbeitung spielt Laserlicht eine zunehmend größere Rolle: Vom Schweißen und Schneiden bis zum Bedrucken werden tägliche neue Anwendungen erschlossen. Anstatt eines einzelnen Lichtstrahls werden in Belichtungen durch eine Fotomaske photochemische Prozesse ortsgenau ausgelöst, wie es in der Lithographie der Fall ist, um z.B. TFT-Bildschirme (Thin-film transitor-Display) oder Halbleiterchips herzustellen. Das Auflösungsvermögen dieser Techniken ist dabei begrenzt durch die Wellenlänge des verwendeten Lichtes.  
In diesem Artikel wird eine Methode beschrieben, in der die Auflösung höher ist als die der verwendeten Lichtwellenlänge. Hierzu nutzt man zusätzlich die Eigenschaft von Laserlicht, kohärent zu sein, also in einer räumlichen Phasenbeziehung zu stehen. Bringt man zwei Laserstrahlen in Überlappung - also in Interferenz, zeigen die Überlappungsbereiche hohe Intensität (konstruktive Interferenz) und niedrige Intensität (destruktive Interferenz)– ganz analog wie sich Wellenberge auf einer Wasseroberfläche überlagern.

Neuartige lichtempfindliche Photomaterialien auf transparenten Trägerfolien erlauben es, daß in Bereichen hoher Lichtintensität eine Polymerisation von Kettenmonomeren gestartet wird, während dies in Bereichen niedriger Lichtintensität nicht stattfindet. In Abbildung 1 ist der grundlegende Mechanismus schematisch dargestellt. Diese photoempfindlichen Materialien  – auch häufig generalisiert Photopolymere [1] genannt – bestehen aus Photoinitiatoren (also Molekülen, die durch Licht in chemisch reaktive Spezies umgewandelt werden), Schreibmonomeren (die über eine Kettenpolymerisation zu Polymeren reagieren wollen) und einer Matrix (einem vernetztem Polymeren, das dem Photopolymer seine mechanische Stabilität gibt) [2]. In Abb. 1-1 sieht man streifenförmige Bereiche hoher Lichtintensität, in denen alle Photoinitiatoren aktiviert werden.  In Abb. 1-2 bis 1-3 wachsen Polymerketten. Dann sind die Monomere in der lokalen Umgebung der aktiven Wachstumszentren weitgehend verbraucht, während gleichzeitig die Polymerketten so groß geworden sind, daß diese sich in der Matrix nicht mehr fortbewegen können. In Abb. 1-4 beginnen somit die Monomere, die sich in den vormals dunklen Bereichen destruktiver Interferenz befunden haben, in die Bereiche zu diffundieren, wo sich nun Schreibmonomere in geringerer Konzentration aufhalten. In Abhängigkeit von ihren Diffusionseigenschaften diffundieren die Monomere von den vormals dunklen in die hellen Bereiche(siehe Abb. 1-5 bis Abb. 1-10), wo sie am Ort der wachsenden Polymerketten polymerisieren. Dieser Mechanismus wird reaktionsgetriebene Diffusion [3] genannt und stellt somit einen rein lichtinduzierten Prozeß zum „Sortieren von Molekülen“ dar. Da die Schreibmonomere einen höheren Brechungsindex aufweisen als die Matrix, wird das ursprüngliche Interferenzmuster des Laserlichts als Brechungsindexmodulationsmuster abgebildet. Dies nennt man ein Phasenhologramm. [4]

Photopolymere können somit mittels eines Interferenzaufbaus „programmiert“ werden, um bestimmte Wellenfronten zu rekonstruieren. Es ist weitgehend bekannt, daß hiermit dreidimensionale und vollfarbige Bilder erzeugen werden können. Neu dagegen ist es, daß man dies auch für neue Optikfunktionen verwenden kann. Abbildung 3 illustriert verschiedene Optikfunktionen. Zunächst können Photopolymere als frequenzselektiver optischer Filter verwendet werden (Abb. 3-1). Dabei ist es egal, welche konkreten Winkel man für die Optikfunktion benötigt, da die Winkelauswahl im Belichtungsprozeß erfolgt. Dies ist ein besonderer Vorteil gegenüber anderen optischen Filmen. Abb. 3-2 zeigt einen Strahlteiler. Die Beugungseffizienz kann dabei sogar vorgegeben werden! Ein besonderer Vorteil von solchen Phasenhologrammen ist es, daß sie als dünne, leichtgewichtige Folien verwendet werden können (Abb. 3-3). Auch können die Hologramme in großen Formaten hergestellt werden, was bislang für diffraktive Optiken aus Kostengründen nicht denkbar war [5]. Abb. 3-4 zeigt die Funktion eines gerichteten Diffusors. Jede Stelle des Phasenhologramms lenkt das Licht auf eine vordefinierte Beleuchtungsfläche, wie hier gezeigt ein kreisrunder Bereich. Die Form ist dabei frei wählbar. Dies ist eine Optikfunktion, die kein refraktives Equivalent besitzt. Schließlich sind Phasenhologramme aus anderen Winkeln gesehen ohne optische Funktion – also transparent (Abb. 3-5).
Anwendungen für derartige Folien findet man in vielen Industrien. So können damit transparente Projektionsschirme realisiert werden. Auch kann man automobile Headup-Displays und moderne Videobrillen aufbauen. Als optisches Sicherheitsmerkmal in Ausweisen und Banknoten findet man derartige Materialien genauso wie man sie als optischer (Frequenz)-Filter und dispersive Optikelemente für Spektrometer und Teleskope nutzen kann. Die Anwendungen sind so vielfältig, wie die Optik als Schlüsseltechnologie es selbst ist – nur jetzt sind die Baukomponenten flach geworden dank diffraktiver Optik aus Photopolymeren.