EP4164869A1 - Herstellung eines objekts mittels zwei-photonen-polymerisation - Google Patents

Herstellung eines objekts mittels zwei-photonen-polymerisation

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Publication number
EP4164869A1
EP4164869A1 EP21731938.3A EP21731938A EP4164869A1 EP 4164869 A1 EP4164869 A1 EP 4164869A1 EP 21731938 A EP21731938 A EP 21731938A EP 4164869 A1 EP4164869 A1 EP 4164869A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
starting material
laser diode
write head
laser radiation
photon polymerization
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21731938.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nils Dominik Surkamp
Gordon Zyla
Martin Hofmann
Cemal Esen
Evgeny Gurevich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ruhr Universitaet Bochum
Original Assignee
Ruhr Universitaet Bochum
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ruhr Universitaet Bochum filed Critical Ruhr Universitaet Bochum
Publication of EP4164869A1 publication Critical patent/EP4164869A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles
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    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
    • B29C64/129—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask
    • B29C64/135—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask the energy source being concentrated, e.g. scanning lasers or focused light sources
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    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B29C64/268—Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling

Definitions

  • the invention relates to a writing head, a device, a method and a use for producing an object by means of two-photon polymerization.
  • Two-photon polymerization (2PP for short) is known. This allows small objects to be manufactured additively by irradiating a photosensitive raw material.
  • the objects can have structures with dimensions in the range of a few 100 nm [nanometers].
  • the two-photon polymerization is therefore more flexible than other lithographic techniques.
  • Two-photon polymerization thus offers outstanding potential for use in a large number of interdisciplinary fields, such as B. for the production of photonic crystals, micropumps for microfluidics, electromechanical microsystems (MEMS) or of products in the field of biology, medicine or micro-optics.
  • MEMS electromechanical microsystems
  • the starting material is cured locally by means of two-photon polymerization where the intensity of the laser radiation is sufficiently high.
  • the starting material is irradiated in such a way that the intensity required for two-photon polymerisation is only achieved locally where the object should have material.
  • the production can therefore also be understood as 3D printing.
  • the starting material can be penetrated by the laser radiation. Basically there is no two-photon polymerization. The required intensity is only achieved in a small volume area around the focus point when the laser radiation is focused. By choosing the focal point, it is therefore possible to cure the starting material away from its surface in a deliberately adjustable depth. It is sufficient to provide a quantity of the starting material at the beginning of the process. Because curing can also take place inside the starting material, it is not necessary to provide the starting material in layers.
  • Two-photon polymerization can only occur under certain conditions.
  • a large energy density is required. This corresponds to a high photon density, i.e. a locally high intensity of the laser radiation. Otherwise, the probability would be very low that two photons would hit an atom within a time span of less than one femtosecond.
  • Such high photodensities can be achieved with lasers that emit ultrashort light pulses ("ultrashort pulse lasers"). This is due to the fact that with pulsed laser radiation the pulse peak intensity scales inversely with the pulse duration. The effectiveness of the 2PP processes therefore depends very much on the pulse duration Known processes for two-photon polymerization use Ti: sapphire lasers. Such a laser must be optically pumped by means of a solid-state laser, which in turn is operated by means of diodes. A system with a Ti: sapphire laser is therefore correspondingly large, has a low energy efficiency and has to be cooled with water. It is not possible to guide the laser radiation directly into the starting material over a short distance.
  • a write head for producing an object by means of two-photon polymerization includes:
  • ⁇ a microscope objective, which is adapted for focusing generated with the monolithic modenge coupled laser diode laser radiation and arranged.
  • the write head can be used in a device for producing an object by means of two-photon polymerization.
  • the photosensitive starting material is polymerized by two-photon polymerization and hardened to that extent. This can be done locally selectively so that the object can be obtained from the starting material.
  • the starting material can also be referred to as a sample.
  • the starting material is irradiated in such a way that the intensity required for two-photon polymerisation is only achieved locally where the object should have material. Resins are particularly suitable as the photosensitive material.
  • the starting material is moved relative to the write head during the manufacture of the object. In this way, the laser radiation reaches the points of the starting material that are to be polymerized.
  • the depth at which the starting material is polymerized can be influenced.
  • the focal point can be set, for example, by moving the starting material relative to the microscope objective.
  • the object is preferably produced by scanning the starting material with the focused laser radiation using a three-dimensional grid.
  • the starting material can be polymerized at any point in three-dimensional space. In this way, the object can be preserved by following the source material. This can be referred to as writing, which is why the writing head is referred to as such.
  • Irradiation with the Laser radiation can also be referred to as exposure. After the object has been obtained, the remaining starting material can be removed from the non-irradiated areas, for example with a solvent.
  • the starting material can be held, for example, by a holder with which the starting material is movable relative to the writing head, preferably in three dimensions.
  • the holder is part of the device for producing the object by means of two-photon polymerisation, but not the writing head.
  • the holder is preferably intended and set up to position and / or align the starting material.
  • the holder preferably has drive means.
  • the write head is preferably held rigidly in the device. Alternatively or additionally, the writing head can be moved.
  • the object can be a three-dimensional body of any shape, in particular a micro-object.
  • the object consists of the polymerized raw material.
  • the object preferably has an extension of less than 0.5 mm [millimeters] in every spatial direction.
  • the object can have structures with dimensions on the order of 100 nm [nanometers].
  • the object is preferably a photonic crystal, a micropump for microfluidics, an electromechanical microsystem (MEMS) or a product in the field of biology, medicine or micro-optics.
  • MEMS electromechanical microsystem
  • the laser radiation required for two-photon polymerization is generated with the monolithic mode-locked laser diode.
  • the object can have structures with dimensions on the order of 100 nm.
  • the monolithically mode-coupled laser diode is preferably designed as a monolithically mode-locked short pulse laser diode, in particular as a monolithically mode-locked ultra-short pulse laser diode.
  • the monolithic mode-locked laser diode can be a monolithic semiconductor laser.
  • Monolithic mode-locked laser diodes usually have a longer pulse duration than a Ti: sapphire laser.
  • the monolithic, fashion-coupled laser diode can have a pulse duration of more than 2 ps [picoseconds]. This can extend the duration of the proceedings. This is not due to the length of the pulse itself, there also a picosecond is a very short period of time. Rather, with a longer pulse duration, the pulse peak intensity is lower and thus the probability of two-photon absorption occurring is lower. One area therefore has to be irradiated for a longer period of time until the starting material has polymerized there. This means that the material wax per pulse is smaller, which enables a more precise control of the resolution of individual structural properties of the object.
  • monolithic mode-locked laser diodes were considered unsuitable for two-photon polymerization in the past. Since the development of monolithic laser diodes around 30 years ago, these have not been used for two-photon polymerization, although this has also been established for more than 20 years. According to the invention, however, it was found that the smaller size of the monolithic mode-locked laser diode not only has the advantages that are immediately apparent. Rather, it was found that a monolithic mode-coupled laser diode can be arranged in the write head. In known devices for producing an object by means of two-photon polymerization, the laser source must be arranged outside of the write head due to its size. The fact that this is possible with a monolithic mode-locked laser diode is due in particular to the dispensable means for pumping the laser.
  • a device for producing an object by means of two-photon polymerization can be obtained, which corresponds to a conventional paper printer in terms of size and mass.
  • a device can have a volume in the range of cubic centimeters and a weight in the range of a few kilograms.
  • the device can therefore be designed to be portable. Considerable cost savings can be achieved compared to known devices.
  • the integration of the monolithic mode-locked laser diode in the write head also means that it is not necessary to arrange the optics in a special housing in accordance with the laser protection class.
  • the be written head and a corresponding device for producing an object by means of two-photon polymerization can therefore also outside of a special laboratories and not only used by specially trained staff. It is therefore preferred that the writing head comprises a housing.
  • the monolithically mode-coupled laser diode is preferably arranged within the housing.
  • the microscope objective is preferably arranged on the edge of the housing in such a way that the laser radiation can leave the housing via the microscope objective.
  • the housing is preferably less than 50 cm, in particular less than 20 cm, in each spatial direction. In particular, this distinguishes the write head from a completely conventional device for producing an object by means of two-photon polymerization.
  • the efficiency of monolithic mode-locked laser diodes is also greater than that of lasers previously used for two-photon polymerization, in particular than of laser systems that have been pumped several times. All these previously unrecognized advantages of using monolithic mode-locked laser diodes compensate for the disadvantage of the longer process duration.
  • the monolithic mode-locked laser diode preferably has a pulse duration in the range from 2 ps to 10 ps [picoseconds]. This can be achieved on the one hand with a comparatively simple structure of the monolithic mode-locked laser diode. On the other hand, with such a pulse duration, the two-photon polymerization can be carried out with an acceptable process duration.
  • the write head preferably has a heat sink in order to cool the monolithically mode-locked laser diode. Furthermore, the write head has a microscope lens. This is used to focus the laser radiation generated by the monolithic mode-locked laser diode in such a way that two-photon polymerization occurs at the desired points of the starting material. It is preferred that the monolithic mode-locked laser diode is arranged directly on the microscope lens. This means that the laser radiation generated by the monolithic mode-locked laser diode reaches the microscope objective without being influenced by another element in between. This is advantageous because each element in the beam path can reduce the intensity of the laser radiation and thus extend the process time. Alternatively, however, it is possible to integrate different elements into the beam path. In the following, several important preferred embodiments described, which can be combined with one another as desired.
  • the write head further comprises a camera and a beam splitter which is set up and arranged to allow the laser radiation emitted by the monolithic mode-locked laser diode to pass and to deflect radiation in the opposite direction to the camera.
  • the camera is used to control the production of the object by means of two-photon polymerisation.
  • the camera is used to determine the position and / or orientation of the starting material. This is to be understood in such a way that the position of the object is also determined if it has already been obtained from the starting material.
  • This knowledge can be used as feedback for the positioning and / or alignment of the starting material.
  • the starting material can be positioned and / or aligned with the aid of information captured by the camera.
  • the holder can be adjusted on the basis of information captured by the camera.
  • the camera can record the starting material along the beam path that the laser radiation also takes - at least between the beam splitter and the starting material.
  • the camera does not show the raw material with a distorted perspective, but exactly as it is relevant for the alignment of the laser radiation. This is possible because of the beam splitter.
  • the beam splitter is integrated into the beam path of the laser radiation so that the laser radiation can pass through the beam splitter. This means that apart from unavoidable losses, the laser radiation can pass through the beam splitter unaffected.
  • radiation emanating from the starting material is deflected by the beam splitter, that is to say does not reach the monolithic mode-locked laser diode. In contrast to laser radiation, this radiation is referred to as opposing radiation.
  • the opposing radiation is the radiation on the basis of which the starting material can be optically detected.
  • the radiation in the opposite direction is deflected by the beam splitter towards the camera so that the camera can detect the radiation in the opposite direction.
  • the beam splitter is preferably designed in such a way that the opposing radiation is completely deflected towards the camera except for an unavoidable portion.
  • a beam splitter is a Roman beam splitter preferred.
  • the beam splitter is preferably integrated into the beam path at an angle in the range from 30 to 60 °, in particular 45 °.
  • the camera is preferably a CCD camera.
  • the radiation in the opposite direction preferably originates from a light source with which the starting material is transilluminated.
  • the light source can be part of the device for producing an object by means of two-photon polymerization.
  • the holder is preferably arranged between the light source and the write head.
  • the light source is preferably an LED. This means that the starting material can be x-rayed in such a way that it can be captured particularly well by the camera. In principle, however, it is also possible to use the camera with ambient light and without a special light source.
  • the design with a camera and beam splitter in the write head is favored by the particularly small size of the monolithic mode-locked laser diode. This advantage therefore arises only from the combination of the monolithic laser diode with the present embodiment.
  • the camera and the beam splitter are preferably arranged within the housing.
  • the write head further comprises a device for setting the alignment of the laser radiation emitted by the monolithically mode-coupled laser diode.
  • the laser radiation can be controlled in two dimensions. It is therefore sufficient to move the starting material and the writing head perpendicular to these two dimensions relative to one another, for example with the holder. This is a movement of the starting material towards or away from the writing head. In comparison to a three-dimensional movement of the starting material, the adjustment of the alignment of the laser radiation is faster. Therefore, the duration of the procedure in the present embodiment is particularly short. It is also possible, in addition to adjusting the laser beam by means of the device for setting the alignment of the laser radiation emitted by the monolithic mode-locked laser diode, to move the starting material in these two dimensions, for example with the holder. This is particularly advantageous for comparatively large objects to be produced.
  • the device for setting the alignment of the laser radiation emitted by the monolithically mode-coupled laser diode is preferably a galvo scanner.
  • This preferably has at least one galvo mirror, in particular exactly two galvo mirrors.
  • a galvo mirror is a fast moving mirror through which the laser radiation can be deflected in a targeted manner. If the laser radiation is directed over the galvo mirror or mirrors, the alignment of the laser radiation can be set by adjusting the galvo mirror. This can be done very quickly.
  • the configuration with the device integrated in the write head for setting the alignment of the laser radiation emitted by the monolithic mode-locked laser diode is favored by the particularly small size of the monolithic mode-locked laser diode. This advantage therefore arises only from the combination of the monolithic laser diode with the present embodiment.
  • the device for setting the alignment of the laser radiation emitted by the monolithically mode-coupled laser diode is preferably arranged within the housing.
  • the write head further comprises a device for adjusting the intensity of the laser radiation emitted by the monolithically mode-coupled laser diode.
  • the intensity of the emitted laser radiation can be adjusted in order to achieve the most error-free structuring of the object to be produced. For example, fine structures of the object with a lower intensity and a process speed that is all the slower can be produced particularly gently and, in this respect, particularly precisely.
  • the device for setting the intensity of the laser radiation emitted by the monolithically mo-coupled laser diode is preferably a gray filter. Mechanically controlled neutral density filters are conceivable for this, depending on the process speed.
  • the intensity of the laser radiation can also be adapted to the chemical composition of the starting material.
  • the intensity of the laser radiation can also be set electronically directly with the aid of the monolithic mode-locked laser diode. This is not possible with sufficient speed and accuracy with the laser systems previously used for two-photon polymerization.
  • the intensity of the laser radiation emitted by the monolithically mode-coupled laser diode can be adjusted by deliberately changing the operating point of the monolithically mode-locked laser diode.
  • the configuration with the device integrated in the write head for setting the intensity of the laser radiation emitted by the monolithic mode-locked laser diode is favored by the particularly small size of the monolithic mode-locked laser diode. This advantage thus arises only from the combination of monolithic laser diodes with the present embodiment.
  • the device for setting the intensity of the laser radiation emitted by the monolithically mode-locked laser diode is preferably arranged within the housing.
  • the write head preferably has a shutter. With this the laser radiation can be switched on and off.
  • the writing head further comprises collimation optics between the monolithic mode-locked laser diode and the microscope objective.
  • the laser radiation emitted by the monolithic mode-locked laser diode is collimated, that is, directed parallel, by the collimation optics. This makes targeted focusing with the microscope objective easier.
  • the design with the collimation optics integrated in the write head is favored by the particularly small size of the monolithic mode-locked laser diode. This advantage therefore arises only from the combination of the monolithic laser diode with the present embodiment.
  • the collimation optics are preferably arranged within the housing.
  • the write head is designed to be modular in such a way that the elements according to the above embodiments can optionally be used as a respective module in the write head.
  • Such a module has one of the following four elements or combinations of elements:
  • the device for setting the alignment of the laser radiation emitted by the monolithically mode-coupled laser diode the device for setting the alignment of the laser radiation emitted by the monolithically mode-coupled laser diode
  • the device for setting the intensity of the laser radiation emitted by the monolithic mode-coupled laser diode the device for setting the intensity of the laser radiation emitted by the monolithic mode-coupled laser diode
  • one or more of these modules can be used in the write head.
  • This modular design is only possible because of the small size of the monolithic mode-locked laser diode.
  • the modules can in particular be inserted into the housing.
  • the housing preferably has fastening means for one or more of these modules.
  • a device for producing an object by means of two-photon polymerization comprises: ⁇ a write head designed as described,
  • a holder for holding a photosensitive starting material, so that the object can be produced by the write head by two-photon polymerization of the photosensitive starting material.
  • the described advantages and design features of the write head can be used and transferred to the device, and vice versa.
  • the write head is preferably intended and set up to be used in a device designed as described.
  • the device described preferably has a control device which is true and set up to carry out the method described.
  • the writing head is arranged rigidly and the holder is set up to move the starting material.
  • the holder is preferably set up to move the starting material in three dimensions, in particular to orient and / or align it.
  • a device is used to adjust the alignment of the laser radiation emitted by the monolithically mode-coupled laser diode, it is sufficient that the holder is set up to move the starting material in one dimension. This is the direction towards or away from the write head.
  • the holder can in particular be designed as a translational axis system with three degrees of freedom.
  • the holder is preferably piezoe lectrically controllable.
  • the device further comprises a light source, the holder being arranged between the light source and the writing head.
  • the write head also has a camera and a beam splitter, the beam splitter being set up and arranged to allow the laser radiation emitted by the monolithic mode-locked laser diode to pass and deflect opposing radiation to the camera.
  • a method for producing an object by means of two-photon polymerization includes: a) Providing a photosensitive starting material, b) irradiating the starting material with laser radiation, so that the photosensitive starting material is polymerized locally by two-photon polymerization so that the object is obtained from the starting material, the laser radiation with a monolithic mode-locked Laser diode he is generating.
  • the described advantages and design features of the writing head and the device can be used and transferred to the method, and vice versa.
  • the write head and the device described are preferably intended and set up for operation in accordance with the method.
  • the method is preferably carried out with the write head described and in particular with the device described before.
  • the device and the method are applicable to the use and transferable, and vice versa.
  • a use of a monolithic mode-locked laser diode for producing an object by means of two-photon polymerization is presented.
  • the invention is explained in more detail below with reference to the figures.
  • the figures show particularly preferred exemplary embodiments to which, however, the invention is not limited.
  • the figures and the proportions shown therein are only schematic. Show it:
  • FIG. 3 a third embodiment of a device according to the invention for producing an object by means of two-photon polymerization.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a device 12 for producing an object 2 by means of two-photon polymerization.
  • the object 2 is produced by irradiating a photosensitive starting material 14 with laser radiation 5.
  • the starting material 14 is only irradiated where the object to be obtained 2 material should aufwei sen.
  • the starting material 14 is thus polymerized locally in such a way that the object 2 is obtained.
  • the unpolymerized starting material 14 can then be removed.
  • the device 12 comprises a writing head 1 and a holder 13 for holding the photosensitive starting material 14 so that the object 2 with the writing head 1 can be produced from the photosensitive starting material 14 by two-photon polymerization.
  • the holder 13 initially holds the starting material 14. As far as the object 2 is obtained from this, the holder 13 accordingly holds the object 2.
  • the writing head 1 is arranged rigidly.
  • the holder 13 can move the starting material 14 or the object 2 obtained therefrom in the three spatial directions x, y and z. It is thus possible for the laser radiation 5 to be directed onto the locations of the starting material 14 to be polymerized.
  • the laser radiation 5 can penetrate the starting material 14 and polymerize only where the laser radiation 5 is focused. This makes it possible for a three-dimensional object 2 to be obtained from the starting material 14.
  • the write head 1 comprises a monolithic mode-locked laser diode 3 and a microscope objective 4, which is set up and arranged to focus laser radiation 5 generated with the monolithic mode-locked laser diode 3.
  • the laser beam 5 emitted by the monolithic mode-locked laser diode 3 is used for the production of the object 2 by means of two-photon polymerization.
  • the laser radiation 5 is focused through a microscope objective 4.
  • the writing head 1 comprises collimation optics 11 between the monolithic mode-locked laser diode 3 and the microscope objective 4.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a device 12 for producing an object 2 by means of two-photon polymerization. Only the differences from the embodiment according to FIG. 1 are described.
  • the write head 1 comprises a camera 6 and a beam splitter 7, which is set up and arranged to be used by the Monolithic mode-locked laser diode 3 emitted laser radiation 5 to passie Ren and deflect opposing radiation 8 to the camera 6.
  • the opposing radiation 8 is generated by a light source 15 of the device 12.
  • the holder 13 is arranged between the light source 15 and the writing head 1.
  • the opposing radiation 8 generated by the light source 15 reaches the write head 1 and via the beam splitter 7 into the camera 6.
  • the camera 6 can therefore detect the position of the starting material 14 or the object 2 obtained from it along the beam path of the laser radiation 5 . So that the holder 13 can be controlled particularly precisely ge.
  • the device 12 further comprises a device 10 for setting the intensity of the laser radiation 5 emitted by the monolithic mode-locked laser diode 3.
  • the write head 1 thus comprises a device 9 for setting the alignment of the laser radiation 5 emitted by the monolithic mode-locked laser diode 3.
  • This device 9 is designed as a galvo scanner with two galvo mirrors 16.
  • the laser radiation 5 can be deflected in a controllable manner in the x and y directions by the galvo mirror 16. It is therefore sufficient to move the starting material 14 or the object 2 obtained therefrom in the z-direction with the holder 13.

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Abstract

Schreibkopf (1) zum Herstellen eines Objekts (2) mittels Zwei-Photonen-Polymerisation, umfassend: ▪ eine monolithisch modengekoppelte Laserdiode (3), ▪ ein Mikroskopobjektiv (4), das zur Fokussierung von mit der monolithisch modengekoppelten Laserdiode (3) erzeugter Laserstrahlung (5) eingerichtet und angeordnet ist.

Description

Herstellung eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation
Die Erfindung betrifft einen Schreibkopf, eine Vorrichtung, ein Verfahren und eine Verwendung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation.
Die Herstellung von Objekten mittels Zwei-Photonen-Polymerisation (kurz 2PP) ist bekannt. Damit lassen sich kleine Objekte additiv durch Bestrahlung eines photosensi tiven Ausgangsstoffs fertigen. Die Objekte können Strukturen mit Abmessungen im Bereich von einigen 100 nm [Nanometer] aufweisen. Die Zwei-Photonen-Polymerisa tion ist damit gegenüber anderen lithographischen Techniken flexibler. Damit bietet die Zwei-Photonen-Polymerisation ein herausragendes Potential zum Einsatz für eine Vielzahl interdisziplinärer Fachbereiche, wie z. B. für die Herstellung von photonischen Kristallen, Mikropumpen für die Mikrofluidik, elektromechanischen Mikrosystemen (MEMS) oder von Produkten im Bereich der Biologie, Medizin oder Mikrooptik.
Zur Herstellung des Objektes wird der Ausgangsstoff durch Zwei-Photonen- Polymerisation lokal dort ausgehärtet, wo die Intensität der Laserstrahlung hinrei chend hoch ist. Der Ausgangsstoff wird so bestrahlt, dass die für die Zwei-Photonen- Polymerisation erforderliche Intensität lokal nur dort erreicht wird, wo das Objekt Mate rial aufweisen soll. Die Herstellung kann daher auch als 3D-Druck aufgefasst werden.
Der Ausgangsstoff kann von der Laserstrahlung durchdrungen werden. Grund sätzlich kommt es dabei nicht zur Zwei-Photonen-Polymerisation. Nur bei Fokussie rung der Laserstrahlung wird die erforderliche Intensität in einem kleinen Volumenbe reich um den Fokuspunkt erreicht. Durch Wahl des Fokuspunkts ist es daher möglich, den Ausgangsstoff abseits seiner Oberfläche in einer gezielt einstellbaren Tiefe auszu härten. Dabei genügt es, zu Beginn des Verfahrens eine Menge des Ausgangsstoffs bereitzustellen. Weil die Aushärtung auch im Innern des Ausgangsstoffs erfolgen kann, ist es nicht erforderlich, den Ausgangsstoff schichtweise bereitzustellen.
Bei der Zwei-Photonen-Polymerisation kommt es durch nahezu gleichzeitige (quasi-simultane) Absorption von zwei Photonen zur Polymerisation. Die Absorption eines einzelnen Photons würde dabei nicht ausreichen, weil die Energie der Photonen der verwendeten Laserstrahlung nicht ausreicht, um die Atome des Ausgangsstoffs in den ersten angeregten Zustand anzuregen. Für eine Anregung müssen zwei Photonen innerhalb einer Zeit von weniger als etwa einer Femtosekunde (1015 s) absorbiert wer den, so dass die Energie der beiden Photonen gemeinsam die Anregung ermöglicht. Es wird dabei auch von der quasi-simultanen Absorption zweier Photonen oder der „Zwei-Photonen-Absorption" gesprochen. Dabei handelt sich um einen nichtlinearen optischen Vorgang.
Zur Zwei-Photonen-Polymerisation kann es nur unter bestimmten Bedingungen kommen. Insbesondere ist eine große Energiedichte erforderlich. Dies entspricht einer großen Photonendichte, also einer lokal hohen Intensität der Laserstrahlung. Ansons ten wäre die Wahrscheinlichkeit sehr gering, dass zwei Photonen innerhalb einer Zeit spanne von weniger als einer Femtosekunde auf ein Atom treffen.
Derart große Photoendichten können mit Lasern erzielt werden, die ultrakurze Lichtpulse aussenden (,, Ultrakurzpulslaser"). Das liegt daran, dass bei gepulster Laser strahlung die Pulsspitzenintensität invers mit der Pulsdauer skaliert. Die Effektivität des 2PP-Prozessen hängt daher sehr stark von der Pulsdauer der Laserquelle ab. In be kannten Verfahren zur Zwei-Photonen-Polymerisation werden Ti:Saphir-Laser einge setzt. Ein solcher Laser muss optisch mittels eines Festkörperlasers gepumpt werden, der wiederrum mittels Dioden betrieben wird. Ein System mit Ti:Saphir-Laser ist daher entsprechend groß, hat eine geringe Energieeffizienz und muss mithilfe von Wasser gekühlt werden. Dabei ist es nicht möglich, die Laserstrahlung auf kurzem Wege un mittelbar in den Ausgangsstoff zu leiten. Daher sind bei einem Ti:Saphir-Laser auf wendige optische Elemente erforderlich. Bekannte Vorrichtungen zum Herstellen ei nes Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation sind entsprechend groß, schwer und teuer. Beispielsweise können derartige Vorrichtungen mehrere Kubikmeter Volu men einnehmen, mehrere 100 kg schwer sein und mehrere Hunderttausend Euro kos ten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik eine Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen- Polymerisation bereitzustellen, die kleiner, leichter, energieeffizienter und günstiger ist als bekannte Vorrichtungen. Weiterhin sollen ein entsprechender Schreibkopf, ein entsprechendes Verfahren und eine entsprechende Verwendung vorgestellt werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit den Gegenständen der unabhängigen An sprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung dargestellten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar.
Erfindungsgemäß wird ein Schreibkopf zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei- Photonen-Polymerisation vorgestellt. Der Schreibkopf umfasst:
■ eine monolithisch modengekoppelte Laserdiode,
■ ein Mikroskopobjektiv, das zur Fokussierung von mit der monolithisch modenge koppelten Laserdiode erzeugter Laserstrahlung eingerichtet und angeordnet ist.
Der Schreibkopf kann in einer Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei- Photonen-Polymerisation eingesetzt werden. Dabei wird der photosensitive Aus gangsstoff durch Zwei-Photonen-Polymerisation polymerisiert und insoweit ausgehär tet. Das kann lokal selektiv erfolgen, so dass das Objekt aus dem Ausgangsstoff erhal ten werden kann. Der Ausgangstoff kann auch als Probe bezeichnet werden. Der Aus gangsstoff wird so bestrahlt, dass die für die Zwei-Photonen-Polymerisation erforderli che Intensität lokal nur dort erreicht wird, wo das Objekt Material aufweisen soll. Als das photosensitive Material kommen insbesondere Harze in Betracht. Der Ausgangs stoff wird während der Herstellung des Objekts relativ zum Schreibkopf bewegt. Damit gelangt die Laserstrahlung an die Stellen des Ausgangsstoffs, die polymerisiert wer den sollen. Durch Veränderung des Fokuspunktes der Laserstrahlung und/oder durch Bewegung des Ausgangsstoffs auf den Schreibkopf zu beziehungsweise von diesem weg kann beeinflusst werden, in welcher Tiefe der Ausgangsstoff polymerisiert wird. Der Fokuspunkt kann beispielsweise durch Verschieben des Ausgangsstoffs relativ zum Mikroskopobjektiv eingestellt werden. Das Objekt wird vorzugsweise dadurch hergestellt, dass der Ausgangsstoff mit der fokussierten Laserstrahlung anhand eines dreidimensionalen Rasters abgefahren wird. Dabei kann der Ausgangsstoff an beliebi ger Stelle im dreidimensionalen Raum polymerisiert werden. So kann das Objekt durch Abfahren des Ausgangsstoffs erhalten werden. Dies kann als Schreiben bezeichnet werden, weshalb der Schreibkopf als solcher bezeichnet wird. Die Bestrahlung mit der Laserstrahlung kann auch als Belichtung bezeichnet werden. Nachdem das Objekt erhalten worden ist, kann der verbliebene Ausgangsstoff an den nicht bestrahlten Stel len entfernt werden, beispielsweise durch ein Lösemittel.
Der Ausgangsstoff kann beispielsweise von einem Halter gehalten sein, mit dem der Ausgangsstoff relativ zu dem Schreibkopf beweglich ist, vorzugsweise in drei Di mensionen. Der Halter ist Teil der Vorrichtung zum Herstellen des Objekts mittels Zwei- Photonen-Polymerisation, nicht aber des Schreibkopfes. Vorzugsweise ist der Halter dazu bestimmt und eingerichtet, den Ausgangsstoff zu positionieren und/oder auszu richten. Dazu weist der Halter vorzugsweise Antriebsmittel auf. Der Schreibkopf ist vor zugsweise starr in der Vorrichtung gehalten. Alternativ oder zusätzlich kann der Schreibkopf bewegt werden.
Bei dem Objekt kann es sich um einen beliebig geformten dreidimensionalen Kör per handeln, insbesondere um ein Mikroobjekt. Das Objekt besteht aus dem polymeri sierten Ausgangsstoff. Das Objekt hat vorzugsweise in jeder Raumrichtung eine Aus dehnung von weniger als 0,5 mm [Millimeter].
Das Objekt kann Strukturen mit Abmessungen in der Größenordnung von 100 nm [Nanometern] aufweisen. Bei dem Objekt handelt es sich vorzugsweise um einen pho- tonischen Kristall, eine Mikropumpe für die Mikrofluidik, ein elektromechanisches Mik rosystem (MEMS) oderein Produkt im Bereich der Biologie, Medizin oder Mikrooptik.
Die für die Zwei-Photonen-Polymerisation benötigte Laserstrahlung wird mit der monolithisch modengekoppelten Laserdiode erzeugt. Das Objekt kann Strukturen mit Abmessung in der Größenordnung von 100 nm aufweisen. Die monolithisch moden gekoppelte Laserdiode ist vorzugsweise als eine monolithisch modengekoppelte Kurzpulslaserdiode, insbesondere als eine monolithisch modengekoppelte Ultrakurz pulslaserdiode ausgebildet. Die monolithisch modengekoppelte Laserdiode kann ein monolithischer Halbleiterlaser sein.
Monolithisch modengekoppelte Laserdioden haben im Vergleich zu einem Ti:Saphir-Laser üblicherweise eine längere Pulsdauer. So kann die monolithisch mo dengekoppelte Laserdiode eine Pulsdauer von mehr als 2 ps [Pikosekunden] haben. Das kann die Verfahrensdauer verlängern. Das liegt nicht an Länge der Pulse selbst, da auch eine Pikosekunde eine sehr kurze Zeitspanne ist. Vielmehr ist bei längerer Puls dauer die Pulsspitzenintensität geringer und damit die Wahrscheinlichkeit geringer, dass es zur Zwei- Photonen- Absorption kommt. Eine Stelle muss daher länger bestrahlt werden, bis der Ausgangsstoff dort polymerisiert ist. Das bedeutet, dass der Material wachs pro Puls kleiner ist, was eine präzisere Kontrolle des Auflösungsvermögens ein zelner Struktureigenschaften des Objekts ermöglicht. Aufgrund der zu erwartenden längeren Verfahrensdauer wurden monolithisch modengekoppelte Laserdioden in der Vergangenheit als ungeeignet für die Zwei-Photonen-Polymerisation angesehen. Seit der Entwicklung monolithischer Laserdioden vor rund 30 Jahren wurden diese nicht für die Zwei-Photonen-Polymerisation eingesetzt, obwohl diese auch seit mehr als 20 Jahren etabliert ist. Erfindungsgemäß wurde aber herausgefunden, dass die kleinere Größe der monolithisch modengekoppelten Laserdiode nicht nur die unmittelbar er sichtlichen Vorteile hat. Vielmehr wurde festgestellt, dass eine monolithisch modenge koppelte Laserdiode im Schreibkopf angeordnet werden kann. Bei bekannten Vorrich tungen zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation muss die Laserquelle aufgrund ihrer Größe außerhalb des Schreibkopfes angeordnet werden. Dass dies mit einer monolithisch modengekoppelten Laserdiode möglich ist, liegt ins besondere an den entbehrlichen Mitteln zum Pumpen des Lasers.
Durch Integration der monolithisch modengekoppelten Laserdiode in den Schreibkopf sind auch erhebliche Teile der Optik bekannter Vorrichtungen zum Her stellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation entbehrlich. So kann eine Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation erhal ten werden, die hinsichtlich Größe und Masse etwa einem üblichen Papierdrucker ent spricht. Beispielsweise kann eine derartige Vorrichtung ein Volumen im Bereich von Kubikzentimetern und ein Gewicht im Bereich weniger Kilogramm haben. Die Vorrich tung kann daher tragbar ausgebildet sein. Gegenüber bekannten Vorrichtungen kann eine erhebliche Kostenersparnis erzielt werden. Auch ist es durch die Integration der monolithisch modengekoppelten Laserdiode in den Schreibkopf nicht erforderlich, die Optik in einer speziellen Einhausung gemäß Laserschutzklasse anzuordnen. Der be schriebene Schreibkopf und eine entsprechende Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation können daher auch außerhalb eines speziellen Labors und nicht nur von speziell geschultem Personal genutzt werden. Es ist daher bevorzugt, dass der Schreibkopf ein Gehäuse umfasst. Die monolithisch mo dengekoppelte Laserdiode ist vorzugsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet. Das Mikroskopobjektiv ist vorzugsweise so am Rand des Gehäuses angeordnet, dass die Laserstrahlung das Gehäuse überdas Mikroskopobjektiv verlassen kann. Das Gehäuse hat vorzugsweise in jeder Raumrichtung eine Ausdehnung von weniger als 50 cm, insbesondere von weniger als 20 cm. Insbesondere dadurch unterscheidet sich der Schreibkopf von einer vollständigen herkömmlichen Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation.
Darüber hinaus ist auch der Wirkungsgrad von monolithisch modengekoppelten Laserdioden größer als bei bisher für die Zwei-Photonen-Polymerisation verwendeten Lasern, insbesondere als bei mehrfach gepumpten Lasersystemen. All diese bisher nicht erkannten Vorteile der Verwendung monolithisch modengekoppelter Laserdio den gleichen den Nachteil der längeren Verfahrensdauer aus.
Bevorzugt hat die monolithisch modengekoppelte Laserdiode eine Pulsdauer im Bereich von 2 ps bis 10 ps [Pikosekunden]. Dies ist einerseits mit einem vergleichswei se einfachen Aufbau der monolithisch modengekoppelten Laserdiode zu erreichen. Andererseits ist mit einer derartigen Pulsdauer die Zwei-Photonen-Polymerisation mit akzeptabler Verfahrensdauer durchführbar.
Vorzugsweise weist der Schreibkopf eine Wärmesenke auf, um die monolithisch modengekoppelte Laserdiode zu kühlen. Weiterhin weist Schreibkopf ein Mikro skopobjektiv auf. Dieses dient dazu, die von der monolithisch modengekoppelten La serdiode erzeugte Laserstrahlung so zu fokussieren, dass es an den gewünschten Stel len des Ausgangsstoffs zur Zwei-Photonen-Polymerisation kommt. Es ist bevorzugt, dass die monolithisch modengekoppelte Laserdiode unmittelbar an dem Mikroskopo bjektiv angeordnet ist. Das bedeutet, dass die von der monolithisch modengekoppel ten Laserdiode erzeugte Laserstrahlung in das Mikroskopobjektiv gelangt, ohne da zwischen durch ein anderes Element beeinflusst zu werden. Das ist vorteilhaft, weil jedes Element im Strahlengang die Intensität der Laserstrahlung verringern und inso weit die Prozessdauer verlängern kann. Alternativ ist es aber möglich, verschiedene Elemente in den Strahlengang zu integrieren. Nachfolgend werden dazu mehrere be- vorzugte Ausführungsformen beschrieben, die beliebig miteinander kombinierbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schreibkopf weiterhin eine Kamera und einen Strahlteiler, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlte Laserstrahlung passieren zu lassen und gegenläufige Strahlung zur Kamera abzulenken.
Die Kamera dient der Steuerung der Herstellung des Objekts mittels Zwei- Photonen-Polymerisation. Insbesondere dient die Kamera dazu, die Position und/oder Ausrichtung des Ausgangsstoffs zu bestimmen. Dies ist so zu verstehen, dass auch die Position des Objekts bestimmt wird, soweit dieses bereits aus dem Ausgangsstoff er halten wurde. Diese Kenntnis kann als Rückkopplung für die Positionierung und/oder Ausrichtung des Ausgangsstoffs verwendet werden. So kann die Positionierung und/oder Ausrichtung des Ausgangsstoffs mithilfe von mit der Kamera erfassten In formationen vorgenommen werden. Insbesondere kann der Halter anhand von mit der Kamera erfassten Informationen eingestellt werden.
Mit der Kamera kann der Ausgangsstoff entlang des Strahlengangs erfasst wer den, den auch die Laserstrahlung - jedenfalls zwischen dem Strahlteiler und dem Ausgangsstoff - nimmt. Die Kamera zeigt den Ausgangsstoff also nicht perspektivisch verzerrt, sondern genau so, wie dies für die Ausrichtung der Laserstrahlung relevant ist. Das ist aufgrund des Strahlteilers möglich. Der Strahlteiler ist so in den Strahlen gang der Laserstrahlung integriert, dass die Laserstrahlung den Strahlteiler passieren kann. Das bedeutet, dass die Laserstrahlung abgesehen von unvermeidbaren Verlus ten unbeeinflusst durch den Strahlteiler gelangen kann. Von dem Ausgangsstoff aus gehende Strahlung hingegen wird von dem Strahlteiler abgelenkt, gelangt also nicht in die monolithisch modengekoppelte Laserdiode. Diese Strahlung wird in Abgren zung von der Laserstrahlung als gegenläufige Strahlung bezeichnet. Bei der gegenläu figen Strahlung handelt es sich um die Strahlung, aufgrund derer der Ausgangsstoff optisch erfassbar ist. Die gegenläufige Strahlung wird von dem Strahlteiler zur Kamera abgelenkt, so dass die Kamera die gegenläufige Strahlung erfassen kann. Der Strahltei ler ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die gegenläufige Strahlung bis auf einen un vermeidbaren Anteil vollständig zur Kamera abgelenkt wird. Als Strahlteiler ist ein dich- roischer Strahlteiler bevorzugt. Der Strahlteiler ist vorzugsweise unter einem Winkel im Bereich von 30 bis 60°, insbesondere von 45° in den Strahlengang integriert. So ist es auch bei kompakter Bauweise des Schreibkopfes einfach möglich, die Kamera und die monolithisch modengekoppelte Laserdiode im Schreibkopf anzuordnen. Bei der Ka mera handelt es sich vorzugsweise um eine CCD-Kamera.
Die gegenläufige Strahlung stammt vorzugsweise aus einer Lichtquelle, mit der der Ausgangsstoff durchleuchtet wird. Die Lichtquelle kann Teil der Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation sein. Der Halter ist vor zugsweise zwischen der Lichtquelle und dem Schreibkopf angeordnet. Die Lichtquel le ist vorzugsweise eine LED. Damit kann der Ausgangsstoff so durchleuchtet werden, dass dieser von der Kamera besonders gut erfasst werden kann. Prinzipiell ist es aber auch möglich, die Kamera mit Umgebungslicht und ohne besondere Lichtquelle zu verwenden.
Die Ausgestaltung mit Kamera und Strahlteiler im Schreibkopf wird durch die be sonders geringe Größe der monolithisch modengekoppelten Laserdiode begünstigt. Dieser Vorteil ergibt sich also erst aus der Kombination von monolithischer Laserdiode mit der vorliegenden Ausführungsform. Die Kamera und der Strahlteiler sind vorzugs weise innerhalb des Gehäuses angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schreibkopf weiter hin eine Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch moden gekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung.
Mit der Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch mo dengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung kann die Laserstrahlung in zwei Dimensionen gesteuert werden. Es genügt daher, den Ausgangsstoff und den Schreibkopf senkrecht zu diesen beiden Dimensionen relativ zueinander zu bewegen, beispielsweise mit dem Halter. Dies ist eine Bewegung des Ausgangsstoffs auf den Schreibkopf zu beziehungsweise von diesem weg. Im Vergleich zu einer dreidimensi onalen Bewegung des Ausgangsstoffs ist die Verstellung der Ausrichtung der Laser strahlung schneller. Daher ist die Verfahrensdauer in der vorliegenden Ausführungs form besonders kurz. Es ist auch möglich, zusätzlich zu der Verstellung des Laserstrahls mittels der Ein richtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung den Ausgangsstoff auch in diesen beiden Dimensionen zu bewegen, beispielsweise mit dem Halter. Das Ist insbesondere bei vergleichsweise großen herzustellenden Objekten von Vorteil.
Die Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch moden gekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung ist vorzugsweise ein Gal- voscanner. Dieser weist vorzugsweise mindestens einen Galvospiegel, insbesondere genau zwei Galvospiegel auf. Bei einem Galvospiegel handelt es sich um einen schnell beweglichen Spiegel, durch den die Laserstrahlung gezielt abgelenkt werden kann. Wird die Laserstrahlung über den beziehungsweise die Galvospiegel geleitet, kann Ausrichtung der Laserstrahlung durch Verstellung der Galvospiegel eingestellt wer den. Dies kann sehr schnell erfolgen.
Die Ausgestaltung mit der im Schreibkopf integrierten Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausge strahlten Laserstrahlung wird durch die besonders geringe Größe der monolithisch modengekoppelten Laserdiode begünstigt. Dieser Vorteil ergibt sich also erst aus der Kombination von monolithischer Laserdiode mit der vorliegenden Ausführungsform. Die Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch modenge koppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung ist vorzugsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schreibkopf weiter hin eine Einrichtung zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch modenge koppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung.
Um eine möglichst fehlerfreie Strukturierung des herzustellenden Objekts zu erzie len, kann die Intensität der ausgestrahlten Laserstrahlung eingestellt werden. So kön nen beispielsweise feine Strukturen des Objekts mit einer geringeren Intensität und einer dafür umso langsameren Prozessgeschwindigkeit besonders schonend und in soweit besonders genau hergestellt werden. Bei der Einrichtung zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch mo dengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung handelt es sich vorzugs weise um einen Graufilter. Je nach Prozessgeschwindigkeit sind dafür mechanisch angesteuerte Graufilter denkbar. Auch kann die Intensität der Laserstrahlung an die chemische Zusammensetzung des Ausgangsstoffs angepasst werden.
Alternativ oder zusätzlich zu der vorliegend beschriebenen Ausführungsform kann die Intensität der Laserstrahlung auch elektronisch direkt mithilfe der monolithisch modengekoppelten Laserdiode eingestellt werden. Dies ist mit bisher für die Zwei- Photonen-Polymerisation verwendeten Lasersystemen nicht hinreichend schnell und genau möglich. Beispielsweise kann die Intensität der von der monolithisch moden gekoppelten Laserdiode abgestrahlten Laserstrahlung durch gezielte Veränderung des Betriebspunktes der monolithisch modengekoppelten Laserdiode eingestellt werden.
Die Ausgestaltung mit der im Schreibkopf integrierten Einrichtung zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung wird durch die besonders geringe Größe der monolithisch modenge koppelten Laserdiode begünstigt. Dieser Vorteil ergibt sich also erst aus der Kombina tion von monolithischer Laserdiode mit der vorliegenden Ausführungsform. Die Ein richtung zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung ist vorzugsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet.
Alternativ oder zusätzlich zu der Einrichtung zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung weist der Schreibkopf vorzugsweise einen Shutter auf. Mit diesem kann die Laserstrahlung ein- und ausgeschaltet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schreibkopf weiter hin eine Kollimationsoptik zwischen der monolithisch modengekoppelten Laserdiode und dem Mikroskopobjektiv. Durch die Kollimationsoptik wird die von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode abgestrahlte Laserstrahlung kollimiert, also parallelgerichtet. Daserleich tert die gezielte Fokussierung mit dem Mikroskopobjektiv.
Die Ausgestaltung mit der im Schreibkopf integrierten Kollimationsoptik wird durch die besonders geringe Größe der monolithisch modengekoppelten Laserdiode begünstigt. Dieser Vorteil ergibt sich also erst aus der Kombination von monolithischer Laserdiode mit der vorliegenden Ausführungsform. Die Kollimationsoptik ist vorzugs weise innerhalb des Gehäuses angeordnet.
Auch wenn die Elemente gemäß den vorstehenden Ausführungsformen alle zu gleich verwendet werden können, ist es bevorzugt, so wenige dieser Elemente wie möglich in den Strahlengang zu integrieren. Dadurch wird die Intensität der Laser strahlung so wenig wie möglich reduziert und die Stabilität gegenüber Vibrationen und Erschütterungen erhöht. Bevorzugt ist, dass der Schreibkopf derart modular aus gebildet ist, dass die Elemente gemäß den vorstehenden Ausführungsformen wahl weise als ein jeweiliges Modul in den Schreibkopf eingesetzt werden können. Ein sol ches Modul weist jeweils eine der folgenden vier Elemente beziehungsweise Kombi nation von Elementen auf:
■ die Kamera und den Strahlteiler,
■ die Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch moden gekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung,
■ die Einrichtung zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch modenge koppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung,
■ die Kollimationsoptik.
Je nach Anwendungsfall können eines oder mehrere dieser Module in den Schreib kopf eingesetzt werden. Diese modulare Ausgestaltung ist nur aufgrund der geringen Größe der monolithisch modengekoppelten Laserdiode möglich. Die Module können insbesondere in das Gehäuse eingesetzt werden. Das Gehäuse weist vorzugsweise Befestigungsmittel für eines oder mehrere dieser Module auf.
Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst: ■ einen wie beschrieben ausgebildeten Schreibkopf,
■ einen Halter zum Halten eines photosensitiven Ausgangsstoffs, so dass das Objekt durch mit dem Schreibkopf durch Zwei-Photonen-Polymerisation aus dem photo sensitiven Ausgangsstoff hergestellt werden kann.
Die beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Schreibkopfes sind auf die Vorrichtung anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Der Schreibkopf ist vor zugsweise dazu bestimmt und eingerichtet, in einer wie beschrieben ausgebildeten Vorrichtung verwendet zu werden. Vorzugsweise weist die beschriebene Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens be stimmt und eingerichtet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Schreibkopf starr angeordnet und ist der Halter zum Bewegen des Ausgangsstoffs eingerichtet.
Der Halter ist vorzugsweise dazu eingerichtet, den Ausgangsstoff in drei Dimensi onen zu bewegen, insbesondere zu orientieren und/oder auszurichten. Insbesondere wenn eine Einrichtung zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch mo dengekoppelten Laserdiode ausgestrahlten Laserstrahlung verwendet wird, genügt es aber, dass der Halter dazu eingerichtet ist, den Ausgangsstoff in einer Dimension zu bewegen. Dabei handelt es sich um die Richtung auf den Schreibkopf zu beziehungs weise von diesem weg. Der Halter kann insbesondere als ein translatorisches Achssys- tem mit drei Freiheitsgraden ausgebildet sein. Der Halter ist vorzugsweise piezoe lektrisch steuerbar.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Lichtquelle, wobei der Halterzwischen der Lichtquelle und dem Schreibkopf an geordnet ist. Insbesondere in dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass der Schreibkopf weiterhin eine Kamera und einen Strahlteiler aufweist, wobei der Strahltei ler dazu eingerichtet und angeordnet ist, die von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode ausgestrahlte Laserstrahlung passieren zu lassen und gegenläufige Strah lung zur Kamera abzulenken.
Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Ob jekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation vorgestellt. Das Verfahren umfasst: a) Bereitstellen eines photosensitiven Ausgangsstoffes, b) Bestrahlen des Ausgangsstoffes mit einer Laserstrahlung, so dass der photo sensitive Ausgangsstoff durch Zwei-Photonen-Polymerisation lokal so polymeri siert wird, dass das Objekt aus dem Ausgangsstoff erhalten wird, wobei die Laserstrahlung mit einer monolithisch modengekoppelten Laserdiode er zeugt wird.
Die beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Schreibkopfes und der Vorrichtung sind auf das Verfahren anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Der Schreibkopf und die beschriebene Vorrichtung sind vorzugsweise zum Betrieb gemäß dem Verfahren bestimmt und eingerichtet. Das Verfahren wird vorzugsweise mit dem beschriebenen Schreibkopf und insbesondere mit der beschriebenen Vor richtung durchgeführt.
Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung einer monolithisch modengekoppelten Laserdiode zur Zwei-Photonen-Polymerisation vorgestellt. Die beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Schreibkopfes, der
Vorrichtung und des Verfahrens sind auf die Verwendung anwendbar und übertrag bar, und umgekehrt. Als eine bevorzugte Ausführungsform wird eine Verwendung einer monolithisch modengekoppelten Laserdiode zum Herstellen eines Objekts mit tels Zwei-Photonen-Polymerisation vorgestellt. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Die Figuren und die darin dargestellten Größenverhältnisse sind nur schematisch. Es zeigen:
Fig. 1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation,
Fig. 2: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation,
Fig. 3: eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts mittels Zwei-Photonen-Polymerisation. Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 12 zum Herstellen eines Ob jekts 2 mittels Zwei-Photonen-Polymerisation. Das Objekt 2 wird hergestellt, indem ein photosensitiver Ausgangsstoff 14 mit einer Laserstrahlung 5 bestrahlt wird. Der Aus gangsstoff 14 wird nur dort bestrahlt, wo das zu erhaltende Objekt 2 Material aufwei sen soll. Durch Zwei-Photonen-Polymerisation wird der Ausgangsstoff 14 also lokal so polymerisiert, dass das Objekt 2 erhalten wird. Der nicht polymerisierte Ausgangsstoff 14 kann anschließend entfernt werden.
Die Vorrichtung 12 umfasst einen Schreibkopf 1 und einen Halter 13 zum Halten des photosensitiven Ausgangsstoffs 14, so dass das Objekt 2 mit dem Schreibkopf 1 durch Zwei-Photonen-Polymerisation aus dem photosensitiven Ausgangsstoff 14 her gestellt werden kann. Der Halter 13 hält zunächst den Ausgangsstoff 14. Soweit aus diesem das Objekt 2 erhalten wird, hält der Halter 13 entsprechend das Objekt 2. Der Schreibkopf 1 ist starr angeordnet. Der Halter 13 kann den Ausgangsstoff 14 bezie hungsweise das daraus erhaltene Objekt 2 in die drei Raumrichtungen x, y und z be wegen. So ist es möglich, dass die Laserstrahlung 5 auf die zu polymerisierenden Stel len des Ausgangsstoffs 14 gelenkt wird. Die Laserstrahlung 5 kann den Ausgangsstoff 14 durchdringen und lediglich dort polymerisieren, wo die Laserstrahlung 5 fokussiert ist. Dadurch ist es möglich, dass ein dreidimensionales Objekt 2 aus dem Ausgangs stoff 14 erhalten wird.
Der Schreibkopf 1 umfasst eine monolithisch modengekoppelte Laserdiode 3 und ein Mikroskopobjektiv 4, das zur Fokussierung von mit der monolithisch modenge koppelten Laserdiode 3 erzeugter Laserstrahlung 5 eingerichtet und angeordnet ist. Die von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode 3 abgestrahlte Laserstrah lung 5 wird für die Herstellung des Objekts 2 mittels Zwei-Photonen-Polymerisation verwendet. Die Laserstrahlung 5 wird durch ein Mikroskopobjektiv 4 fokussiert. Wei terhin umfasst der Schreibkopf 1 eine Kollimationsoptik 11 zwischen der monolithisch modengekoppelten Laserdiode 3 und dem Mikroskopobjektiv 4.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung 12 zum Herstellen ei nes Objekts 2 mittels Zwei-Photonen-Polymerisation. Es werden nur die Unterschiede zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 beschrieben. Der Schreibkopf 1 umfasst eine Ka mera 6 und einen Strahlteiler 7, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode 3 ausgestrahlte Laserstrahlung 5 passie ren zu lassen und gegenläufige Strahlung 8 zur Kamera 6 abzulenken. Die gegenläufi ge Strahlung 8 wird von einer Lichtquelle 15 der Vorrichtung 12 erzeugt. Der Halter 13 ist zwischen der Lichtquelle 15 und dem Schreibkopf 1 angeordnet. Die von der Licht quelle 15 erzeugte gegenläufige Strahlung 8 gelangt in den Schreibkopf 1 und über den Strahlteiler 7 in die Kamera 6. Die Kamera 6 kann also die Position des Ausgangs stoffs 14 beziehungsweise des daraus erhaltenen Objekts 2 entlang des Strahlen gangs der Laserstrahlung 5 erfassen. Damit kann der Halter 13 besonders genau ge steuert werden. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 12 eine Einrichtung 10 zum Einstel len der Intensität der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode 3 ausge strahlten Laserstrahlung 5.
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung 12 zum Herstellen eines Objekts 2 mittels Zwei-Photonen-Polymerisation. Es werden nur die Unterschiede zu den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 beschrieben. So umfasst der Schreib kopf 1 eine Einrichtung 9 zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode 3 ausgestrahlten Laserstrahlung 5. Diese Einrichtung 9 ist als ein Galvoscanner mit zwei Galvospiegeln 16 ausgebildet. Durch die Galvospie- gel 16 kann die Laserstrahlung 5 in x- und y-Richtung steuerbar abgelenkt werden. Es genügt daher, den Ausgangsstoff 14 beziehungsweise das daraus erhaltene Objekt 2 in z-Richtung mit dem Halter 13 zu bewegen.
Die Merkmale der drei Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 bis 3 sind belie big miteinander kombinierbar. So kann jede der drei Ausführungsformen mit und ohne die Einrichtung 9, mit und ohne die Einrichtung 10 sowie mit und ohne die Kamera 6 und den Strahlteiler 7 ausgebildet sein. Bezugszeichenliste
1 Schreibkopf
2 Objekt 3 monolithisch modengekoppelte Laserdiode
4 Mikroskopobjektiv
5 Laserstrahlung
6 Kamera
7 Strahlteiler 8 gegenläufige Strahlung
9 Einrichtung
10 Einrichtung
11 Kollimationsoptik
12 Vorrichtung 13 Halter
14 Ausgangsstoff
15 Lichtquelle
16 Galvospiegel

Claims

Ansprüche
1. Schreibkopf (1) zum Herstellen eines Objekts (2) mittels Zwei- Photonen- Polymer isation, umfassend: ■ eine monolithisch modengekoppelte Laserdiode (3),
■ ein Mikroskopobjektiv (4), das zur Fokussierung von mit der monolithisch mo dengekoppelten Laserdiode (3) erzeugter Laserstrahlung (5) eingerichtet und angeordnet ist.
2. Schreibkopf (1) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Kamera (6) und einen Strahlteiler (7), der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die von der monolithisch modengekoppelten Laserdiode (3) ausgestrahlte Laserstrahlung (5) passieren zu lassen und gegenläufige Strahlung (8) zur Kamera (6) abzulenken.
3. Schreibkopf (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Einrichtung (9) zum Einstellen der Ausrichtung der von der monolithisch mo- dengekoppelten Laserdiode (3) ausgestrahlten Laserstrahlung (5).
4. Schreibkopf (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Einrichtung (10) zum Einstellen der Intensität der von der monolithisch mo dengekoppelten Laserdiode (3) ausgestrahlten Laserstrahlung (5).
5. Schreibkopf (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Kollimationsoptik (11) zwischen der monolithisch modengekoppelten Laser diode (3) und dem Mikroskopobjektiv (4).
6. Vorrichtung (12) zum Herstellen eines Objekts (2) mittels Zwei-Photonen- Polymerisation, umfassend:
■ einen Schreibkopf (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ■ einen Halter (13) zum Halten eines photosensitiven Ausgangsstoffs (14), so dass das Objekt (2) mit dem Schreibkopf (1) durch Zwei- Photonen- Polymerisa tion aus dem photosensitiven Ausgangsstoff (14) hergestellt werden kann.
7. Vorrichtung (12) nach Anspruch 6, wobei der Schreibkopf (1) starr angeordnet ist und der Halter (13) zum Bewegen des Ausgangsstoffs (14) eingerichtet ist.
8. Vorrichtung (12) nach Anspruch 6 oder 7, weiterhin umfassend eine Lichtquelle (15), wobei der Halter (13) zwischen der Lichtquelle (15) und dem Schreibkopf (1) angeordnet ist.
9. Verfahren zum Herstellen eines Objekts (2) mittels Zwei- Photonen- Polymerisation, umfassend: a) Bereitstellen eines photosensitiven Ausgangsstoffes (14), b) Bestrahlen des Ausgangsstoffes (14) mit einer Laserstrahlung (5), so dass der photosensitive Ausgangsstoff (14) durch Zwei-Photonen-Polymerisation lokal so polymerisiert wird, dass das Objekt (2) aus dem Ausgangsstoff (14) erhal- ten wird, wobei die Laserstrahlung (5) mit einer monolithisch modengekoppelten Laserdi ode (3) erzeugt wird.
10. Verwendung einer monolithisch modengekoppelten Laserdiode (3) zur Zwei- Photonen-Polymerisation.
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