Durchbruch beim Laserschreiben – Unvergleichliche Geschwindigkeit und Präzision erreicht

Ein Team von Ingenieuren des Zhejiang Lab und der Zhejiang University in China stellte eine neuartige Methode des direkten Laserschreibens vor, die Dualstrahlen nutzt, um die Genauigkeit zu verbessern. Das verbesserte System könnte Ingenieuren ermöglichen, robustere und leistungsfähigere Optiken, Speichersysteme und mehr zu fertigen.  Hier ist, was Sie wissen müssen.

Direktes Laserschreiben

Direktes Laserschreiben oder Multiphoton-Lithografie ist ein Fertigungsverfahren, das die Nutzung von Lasern zur Erzeugung präziser 3D-Polymerisation in Materialien bezeichnet. Diese Strahlen ermöglichen es Ingenieuren, kontrollierte Markierungen und andere Modifikationen vorzunehmen, um eine exakte optische Reaktion zu erzielen.
Beeindruckenderweise können diese Systeme komplexe Strukturen erzeugen, die dünner als ein menschliches Haar sind. Daher eignen sie sich ideal für die Herstellung optischer Komponenten und anderer präziser Geräte, die in der heutigen Elektronik verwendet werden.

Probleme mit aktuellen Methoden des direkten Laserschreibens

Direktes Laserschreiben ist ein wertvolles Fertigungsverfahren, das heute in vielen Branchen eingesetzt wird. Es weist jedoch zahlreiche Einschränkungen auf, die die weitere Verbreitung und Innovation verlangsamt haben. Zum einen nutzt die gängigste Methode Blenden, um den Laser bei Nichtbedarf zu unterbrechen.
Leider führt dieser Ansatz während des Prozesses zu einem Überstrahlen der Laserphotonen, was die Qualität mindert und die Möglichkeit, Designs zu verkleinern, einschränkt. Darüber hinaus kann das Überstrahlen unerwünschte Belichtungen erzeugen und die Designgenauigkeit verringern.

Details der Studie

Die Ingenieure hinter der Superauflösungs-Direktlaserschreiben mittels Multiphoton- und peripherer Photoinhibitions-Photolithografie¹-Studie, die in Optics Letters veröffentlicht wurde, streben an, ein neues Zeitalter von AR/VR und anderen fortschrittlichen Technologien einzuleiten. Die Studie stellt einen superauflösenden 3D-DLW-Ansatz vor, der die Leistung im Vergleich zu seinen Vorgängern erheblich verbessert. Dieser verbesserte Prozess könnte die Tür zu besseren VR‑Anwendungen, Optiken, Computern und vielem mehr öffnen.

Dualstrahl-Optik-Setup

Der Wissenschaftler stellte ein Dualstrahl‑optisches Setup vor, das einen 525‑nm-Femtosekundenlaser als Anregungslichtquelle nutzte.  Dieser Laser arbeitete zusammen mit einem 532‑nm-Pikosekundenlaser. Letzterer Strahl wird verwendet, um Polymerisationsbereiche rund um die laserexponierte Region zu stoppen.
Die Entscheidung, ein Multiphoton‑DLW und ein DLW mit peripherer Photoinhibition zu nutzen, bietet Ingenieuren erhebliche Vorteile wie erhöhte Steuerbarkeit. Konkret musste das Team die Laserintensität, den Fokus, die Ausrichtung, Leistungsschwankungen, Drift und den Memory‑Effekt verfolgen und anpassen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Fotolack

Die Ingenieure entwickelten einen Fotolack, der PETA mit einem Material namens BTPOS kombiniert. Fotolacke sind lichtempfindliche Materialien, die heute eine entscheidende Rolle in Mikrochips und anderen High‑Tech‑Elektronikkomponenten spielen. In diesem Experiment bestand der Hauptzweck darin, Kreuzvernetzungen bei der Erstellung nanoskaliger hochauflösender Linienmuster zu verhindern.

Räumlicher Lichtmodulator (SLM)

Die Ingenieure feineinstellten alles mithilfe eines räumlichen Lichtmodulators. Dieses Hardware‑Element ist dafür zuständig, das Anregungs‑ und Inhibitionslicht zu modulieren. Die Feinabstimmung wurde verbessert, nachdem das Team Zernike‑Polynome zum SLM hinzufügte. Dieser Schritt ermöglichte es, Wellenfrontaberrationen zu korrigieren und die Strahlen zu stabilisieren.

Wie das System funktioniert

Das verbesserte DLW funktioniert, indem beide Laser gleichzeitig eingesetzt werden. Zuerst simuliert der Femtosekundenlaser einen 2700‑ps‑Verzögerungsschalter, bevor der Pikosekundenlaser gestartet wird.  Bemerkenswert ist, dass die Laser zudem leicht unterschiedliche optische Wege haben. Dieser Ansatz ermöglicht hochauflösende und präzise Drucke im Nanomaßstab.

Test des direkten Laserschreibens

Um ihre Theorie zu testen, fertigten die Ingenieure mehrere Nanostrukturen. Das Team begann damit, nanoskalige Holzstapel zu drucken, wobei der seitliche Stababstand von 300 nm auf 225 nm variiert wurde. Nanoskalige Holzstapel sind ein ideales Testscenario, da sie die Komplexität und Feinheit bei der Erstellung nanoskaliger Designs zeigen, bei denen die Linien sich kreuzen und übereinander stapeln müssen. Interessanterweise stellten die Ingenieure die fraktional begrenzte axiale Auflösung auf 320 nm ein, was beeindruckende Ergebnisse ermöglichte.

Quelle – Optica

Ergebnisse des Tests des direkten Laserschreibens

Die Ergebnisse zeigen, dass ein System, das einen Fotolack mit einem erschöpfbaren Photoinitiator und einem radikalen Quencher kombiniert, in der Lage ist, Laserschreiben mit beispielloser Geschwindigkeit und Auflösung zu erzeugen. Konkret demonstrierte das Gerät eine laterale Auflösung von 100 nm bei einer Druckgeschwindigkeit von 100 µm/s. Bemerkenswert ist, dass die Genauigkeit des Druckers nur leicht nachließ, als die Geschwindigkeit auf 1000 µm/s erhöht wurde.

Vorteile des direkten Laserschreibens

Das verbesserte System des direkten Laserschreibens könnte dem Markt zahlreiche Vorteile bringen. Zum einen ist es deutlich schneller als Methoden, die nur einen einzelnen Laser verwenden. Die Möglichkeit, Test- oder Ersatzteile schnell zu fertigen, ist ein großer Anreiz für diese Technologie.

Hohe Präzision

Die verbesserte DLW‑Methode wird die Fähigkeit von Ingenieuren verbessern, komplexe optische Elemente zu erstellen und zu integrieren. Von Satelliten bis zu den Sensoren in Ihrem Telefon sollte diese Technologie vielen der Technologien, auf die Sie täglich angewiesen sind, zusätzliche Möglichkeiten bieten. Ingenieure werden in der Lage sein, kleinere und genauere Linsen sowie weitere Geräte herzustellen.

Echte Anwendungsbereiche & Zeitplan

Es gibt zahlreiche Anwendungsbereiche für diese Technologie. Die Nachfrage nach fortschrittlichen Optiken steigt weiter. Vom Militär bis zum kommerziellen Sektor verlangen Ingenieure kleinere, genauere Linsen und weitere Komponenten.
Daher hat diese Technologie das Potenzial, Datenspeicherlösungen und photonische Geräte zu revolutionieren. Die Ingenieure prognostizieren eine starke kommerzielle Integration in den nächsten 3–6 Jahren.

Datenspeicherung

Durch Laserschreiben erhalten Festplatten einen erheblichen Leistungsschub, sobald diese Technologie zum Mainstream wird. Diese Geräte ätzen kleine Markierungen, die ausgelesen und in Daten umgewandelt werden können. Die Möglichkeit, diese Linien kleiner und genauer zu gestalten, eröffnet die Tür zu höherer Leistung und Kapazität zukünftiger Festplatten.

VR und AR

Die VR‑ und AR‑Märkte werden dank dieser Technologie bedeutende Verbesserungen erfahren. Das Team hat bereits darüber diskutiert, diese Technologie zu nutzen, um die optischen Wellenleiter‑Geräte in VR‑Displays zu verbessern. Die verbesserten Einheiten würden eine hochauflösende Strukturierung mit Präzision und Kosteneffizienz bieten.

Herstellung photonischer Geräte

Diese Technologie wird die Kosten für die Herstellung von Mikrolinsen, photonischen Kristallen, mikrooptischen Geräten und anderen High‑Tech‑Produkten senken. Die Möglichkeit, nanoskalige Ätzungen konsistent und zu geringeren Kosten als heute zu erzeugen, wird Innovationen vorantreiben und zur Schaffung noch leistungsfähigerer und robusterer photonischer Geräte beitragen.

Forscher des direkten Laserschreibens

Ingenieure des Zhejiang Lab und der Zhejiang University in China leiteten die Forschung zum Upgrade des direkten Laserschreibens. Konkret arbeitete ein Team unter der Leitung von Xi Liu, Qiulan Liu, Mengdi Luo, Liang Xu, Cuifang Kuang und Xu Liu zusammen, um ihre Ergebnisse zu verifizieren. Das Ziel ist nun, in den kommenden Jahren Geschwindigkeiten von 10 mm/s und 100 mm/s zu überschreiten.

Unternehmen, die Innovation im Laserschreiben vorantreiben

Mehrere Unternehmen setzen auf direktes Laserschreiben, um ihre Produkte und Dienstleistungen zu erzeugen. Diese Firmen spielen eine entscheidende Rolle in ihren Branchen und bieten High‑Tech‑Lösungen, die zum Wirtschaftswachstum beitragen.
Von Sensorsystemen in der Luft- und Raumfahrt bis zu Smart‑Brillen und allem dazwischen leisten DLW‑Hersteller einen Unterschied. Hier ist ein Unternehmen, das sich einen Ruf als innovativer und gut positionierter Marktführer erarbeitet hat.

Seagate Technology Holdings

Seagate Technology Holdings PLC (STX ) trat 1979 als Shugart Technology in den Markt ein, mit dem Ziel, der Gemeinschaft Hochleistungsspeicherlösungen anzubieten. Das Unternehmen wurde im Zuge seiner Neuausrichtung auf fortschrittliche Datenspeicherlösungen in Seagate Technologies Holdings umbenannt.

Seagate war ein Vorreiter auf dem Markt. Zum einen war es das erste Unternehmen, das 1980 ein 5,25‑Zoll‑HDD einführte und den HD‑Markt den größten Teil dieses Jahrzehnts dominierte. Das Unternehmen stärkte seine Position zudem durch eine Reihe von Übernahmen, darunter Conner Peripherals im Jahr 1996. Anschließend erwarb das Unternehmen 2006 Maxtor und 2011 das HDD‑Geschäft von Samsung.