Durchbruch beim Laserschreiben – Unvergleichliche Geschwindigkeit und Präzision erreicht

Forschende in China haben ein Verfahren zum direkten Laserschreiben vorgestellt, das zwei Lichtstrahlen zur Herstellung sehr kleiner Strukturen einsetzt. Laut ihrem Artikel in Optics Letters erreichte es eine laterale Auflösung von etwa 100 Nanometern bei einer Schreibgeschwindigkeit von 100 Mikrometern pro Sekunde. Der Ansatz könnte bei der Erforschung präziser optischer Bauteile helfen, ist aber noch nicht nachweislich in einem bestimmten Handelsprodukt im Einsatz.

Was ist direktes Laserschreiben?

Beim direkten Laserschreiben, kurz DLW, härtet gebündeltes Licht ein lichtempfindliches Material an ausgewählten Stellen aus. Verfahren mit mehreren Photonen können kleine zwei- und dreidimensionale Strukturen erzeugen. Für eine höhere Auflösung muss das Zielgebiet ausreichend belichtet werden, ohne dass das Material daneben unbeabsichtigt aushärtet.

Eine Schwierigkeit früherer Verfahren

Ein starker Laserstrahl kann auch den Bereich neben dem Ziel beeinflussen. Dadurch lassen sich sehr dicht beieinanderliegende Linien nur schwer getrennt erzeugen. Im neuen Verfahren hemmt ein zweiter Lichtstrahl die Polymerisation am Rand.

Der untersuchte Ansatz

Der Artikel „Super-resolution direct laser writing via multiphoton and peripheral photoinhibition photolithography“¹ beschreibt das Mehrphotonenschreiben und eine Variante mit Lichthinderung um den Zielbereich. Die Forschenden kombinierten zwei Strahlen mit einem besonderen lichtempfindlichen Material und fertigten feine Linien sowie dreidimensionale Teststrukturen.

Die Aufgaben der beiden Strahlen

Ein Strahl beginnt die Polymerisation, der andere unterdrückt sie in der Umgebung. So lässt sich die Grenze der geschriebenen Linie genauer festlegen. Ausrichtung und Intensität der Strahlen wurden im Versuch sorgfältig eingestellt.

Aufbau des optischen Systems

Der anregende Strahl stammte von einem Femtosekundenlaser mit 525 Nanometern Wellenlänge, der hemmende von einem Pikosekundenlaser mit 532 Nanometern. Der Unterschied zwischen den optischen Wegen führte zu einer Verzögerung von etwa 2700 Pikosekunden. Ein räumlicher Lichtmodulator (SLM) und Zernike-Polynome dienten dazu, Wellenfrontfehler zu korrigieren. Zudem überwachte das Team die Ausrichtung, Leistungsschwankungen und Abweichungen der Anlage.

Lichtempfindliches Material

Im Experiment wurde ein Material mit dem Monomer PETA und dem Stoff BTPOS verwendet. BTPOS wirkt als Radikalfänger und hilft, unerwünschte Vernetzungen zu verringern. Die Ergebnisse mit dieser Mischung und Anlage gelten nicht automatisch für sämtliche Materialien.

Teststrukturen

Das Team fertigte dicht benachbarte Linien und dreidimensionale Strukturen aus gekreuzten Stäben in mehreren Schichten. Der laterale Abstand der Stäbe lag zwischen 300 und 225 Nanometern. Solche Proben zeigen, wie gut kleine benachbarte Details getrennt bleiben.

Quelle: Optica

Gemessene Ergebnisse

Laut Zusammenfassung des Artikels wurde bei 100 Mikrometern pro Sekunde eine laterale Auflösung von etwa 100 Nanometern erreicht. Bei 1000 Mikrometern pro Sekunde lag sie noch bei rund 120 Nanometern. Die kleinste axiale Periode einer dreidimensionalen Teststruktur betrug 318,15 Nanometer und lag damit knapp unter der im Artikel genannten entsprechenden Beugungsgrenze von 320 Nanometern. Dies sind Laborergebnisse, kein Nachweis für Geschwindigkeit oder Kosten einer Massenproduktion.

Mögliche Anwendungen

Die schnelle und präzise Herstellung kleiner Strukturen könnte die Forschung an Mikrolinsen, photonischen Kristallen, optischen Geräten und Metamaterialien unterstützen. Die Autoren nennen auch optische Wellenleiter für Anzeigen in virtueller und erweiterter Realität. Für tatsächliche Produkte müssen Wiederholbarkeit, Materialstabilität und Kosten gesondert geprüft werden.

Datenspeicherung

Mikrofertigung könnte langfristig für die Forschung an Teilen von Speichergeräten relevant sein. Der Artikel belegt jedoch weder eine höhere Kapazität handelsüblicher Festplatten noch ein neues Herstellungsverfahren für ein bestimmtes Speichergerät.

VR, AR und optische Bauteile

Präzise Mikrostrukturen könnten bei der Entwicklung optischer Bauteile für VR und AR hilfreich sein. Der Versuch beweist noch nicht, dass Geräte für Verbraucher bald leistungsfähiger oder günstiger werden.

Die Forschenden

Die Autoren sind Xi Liu, Qiulan Liu, Mengdi Luo, Liang Xu, Cuifang Kuang und Xu Liu. Zu ihren Einrichtungen zählen unter anderem die Zhejiang University und das Zhejiang Lab in China.

Ein Unternehmen aus der Branche

Das folgende Unternehmen wird als Beispiel aus der Datenspeicherbranche erwähnt. Daraus folgt nicht, dass es an der Studie beteiligt war oder das neue Verfahren bereits in Produkten einsetzt.

Seagate Technology Holdings

Seagate Technology Holdings (STX ) bietet Speichergeräte und zugehörige Dienstleistungen an. Allein aus dieser Studie lassen sich weder Produktpläne und Geschäftsergebnisse noch ein steigender Aktienkurs des Unternehmens ableiten.

Aktuelles zu Seagate Technology Holdings

Was zeigt die Forschung?

Die Kombination aus zwei Lichtstrahlen und lichtempfindlichem Material ermöglichte feine Linien und präzise dreidimensionale Strukturen. Das ist ein interessanter Fortschritt für die Forschung zur Fertigung optischer Bauteile. Zeitpunkt der Kommerzialisierung und Leistung in fertigen Produkten erfordern weitere Tests. Weitere Artikel zur Nanotechnologie sind hier zu finden.

Zitierte Studie

^{1. Liu, X., Liu, Q., Luo, M., Xu, L., Kuang, C. und Liu, X. (2025). „Super-resolution direct laser writing via multiphoton and peripheral photoinhibition photolithography“. Optics Letters 50(5), 1675–1678. https://doi.org/10.1364/OL.552034.}