Nanostrukturierung durch ultrakurze Laserpulse und optische Nahfelder an Mikropartikeln mit Positionierung
durch eine Optische Pinzette
Antragsteller:
Prof. Dr.-Ing. Michael Schmidt Ilya Alexeev, PhD
Dr. med. Dr. med. dent. Florian Stelzle
Gliederung
Prozessprinzip und experimenteller Aufbau
Bisherige Ergebnisse
Oberflächenstrukturierung
Simulation
Prozesseinflüsse und Genauigkeit
Ziele der zweiten Phase
Nanostrukturierung durch ultrakurze Laserpulse und optische Nahfelder an Mikropartikeln mit Positionierung
durch eine Optische Pinzette
Nanostrukturierung mit optischer Pinzette: Prozessprinzip
Ein optisch positioniertes Mikropartikel fokussiert ultrakurze Laserpulse
Versuchsaufbau
Der Versuchsaufbau kombiniert drei Strahlengänge
Optical trap Imaging
Pulsed structuring laser
Versuchsaufbau
Gliederung
Prozessprinzip und experimenteller Aufbau
Bisherige Ergebnisse
Oberflächenstrukturierung
Simulation
Prozesseinflüsse und Genauigkeit
Ziele der zweiten Phase
Nanostrukturierung durch ultrakurze Laserpulse und optische Nahfelder an Mikropartikeln mit Positionierung
durch eine Optische Pinzette
Strukturierung von Polyimid
a) Partikel: SiO
2; d = 2 µm; n = 1,458
Laser: λ = 532 nm; τ = 10 ps; F = 8 mJ/cm² Vorschub: v = 5 µm/s
Linienbreite: 350 nm to 500 nm
b) Partikel: SiO
2; d = 1 µm; n = 1,458
Laser: λ = 400 nm; τ = 100 fs; F = 5 mJ/cm² Vorschub: v = 25 µm/s
Linienbreite: 200 nm to 250 nm
Strukturierung von Polyimid
Durch den höheren Brechungsindex fokussiert Polystyrol stärker
0 50 100 mW 150
0 100 200 300 nm
500 SiO2; d=1µm
SiO2; d=2µm PS; d=1,7 µm
D ur chm es ser d
Laserleistung P
Substrat: Polyimid Pulsdauer τ=100 fs;
Wellenlänge λ=400 nm Brechungsindex
n
PS= 1,58
n
SiO2= 1,45
1 2 3 4 5 6 mW 8 0
200 400 nm
800 PS; d=3,5 µm
PS; d=1,7 µm
D ur chm es ser d
Laserleistung P
n=4
Strukturierung von Glas
Kleinere Partikel ermöglichen auch kleinere Strukturgrößen
Substrat: Kalk-Natron- Glas
Pulsdauer τ=100 fs;
Wellenlänge λ=800 nm
Particle material: SiO
2; Substrate Material: SiO
2; Wavelength: 400 nm
a) Luft b) Wasser
Simulation der Partikelfokussierung
Größe und Form des elektrischen Feldes (E²) hängen vom Umgebungs-
medium ab
Einfluss der axialen Partikelposition
In der Simulation treten Inteisitätsoszillationen entlang der Strahlachse auf
0 1 2 3 µm 4
10 20 30
R el at iv e I nt ens ity
Distance z
Einfluss der axialen Partikelposition
Das Experiment bestätigt den groben Verlauf der Intensität unter einem Partikel
µm 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
0,2 0,3 0,4 µm 0,5
S tr uc tur e W idt h
Distance z
n=4 N=4
Laterale Genauigkeit
Die laterale Genauigkeit wird durch die Brownsche Bewegung beschränkt
( ) κ πγ
π ; 2
) 2
(
2 2 00
3
=
= + f
f f
f D S
κ: optical trap stiffness γ: damping coefficient kB: Boltzmann‘s constant T: temperature
S: spectr. power density x: particle position D: constant of diffusion f: frequency
f : corner frequency
2
0
2 ( )
xk T
Bx π S f df σ
κ
∞
