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]

Abbildung 1.
Abbildung 2a.

In der Abbildung 2a sieht man eine Skizze eines holographischen Interferenzaufbaus. Kohärentes Licht eines Laserstrahls wird durch einen optischen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen geteilt. Der erste Strahl wird auf ein Objekt (hier exemplarisch als Tasse dargestellt) gelenkt, dessen reflektierte Strahlen auf das Aufzeichnungsmedium – also das Photopolymer – leuchten. Diesen Strahl nennt man Signalstrahl. Der zweite Strahl aus dem Strahlteiler beleuchtet direkt das Photopolymer – diesen Stahl nennt man Referenzstrahl. Die beiden Strahlen erzeugen ein komplexes Interferenzmuster, das wie beschrieben in dem Photopolymer ein entsprechendes Brechungsindexmuster – das Phasenhologramm - erzeugt.

Abbildung 2b.

In Abbildung 2b wird gezeigt, wie die Wellenfront des Objekts durch das Phasenhologramm künstlich erzeugt wird. Dabei illuminiert man das Hologramm mit dem gleichen Referenzstrahl wie während des Schreibens des Hologramms. Der Referenzstrahl wird somit durch die Wechselwirkung mit dem Phasenhologramm in die ursprüngliche Wellenfront des Objektes umgeformt.

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.

Abbildung 3.

Literatur

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Photopolymer

[2] Friedrich-Karl Bruder, Francois Deuber, Thomas Fäcke, Rainer Hagen, Dennis Hönel, David Jurbergs, Masaro Kogure, Thomas Rölle, Marc-Stephan Weiser, „Full-color self-processing holographic photopolymers with high sensitivity in red – The first class of instant holographic photopolymers”; J. Photopolymer Science and Technology; Vol 22, No. 2, 257-260 (2009).

[3] Friedrich-Karl Bruder, Francois Deuber, Thomas Fäcke, Rainer Hagen, Dennis Hönel, David Jurbergs, Thomas Rölle, Marc-Stephan Weiser, „Reaction-diffusion model applied to high resolution Bayfol® HX photopolymer”, Proc. SPIE 7619, 76190I (2010).

[4] http://de.wikipedia.org/wiki/Holografie

[5] Friedrich-Karl Bruder, Thomas Fäcke, Rainer Hagen, Dennis Hönel, Tim-Patrick Kleinschmidt, Enrico Orselli, Christian Rewitz, Thomas Rölle, Günther Walze, „Diffractive optics in large sizes: computer-generated holograms (CGH) based on Bayfol® HX photopolymer Proc. SPIE 9385, Advances in Display Technologies V, 93850C (2015).