Laser bringen Polymere in Form
Den Weg des Lichts in optischen Geräten steuern oft mikrostrukturierte Bauteile aus Kunststoffen. Statt solche winzigen Reliefs durch mechanische Verfahren zu produzieren, lässt sich auch Laserlicht einsetzen. Ebenso berührungslos löscht es die Strukturen wieder.
Der Sternenhimmel an der Wand entsteht, indem ein Laserstrahl vom holographische Gitter rechts gebeugt wird. © Fraunhofer IAP
Blaugrünes Laserlicht flammt auf, die Show beginnt: Wie in einem stillen Ballett ordnen sich langkettige Makromoleküle zu einem komplizierten Muster. Sie türmen sich zu Mikrometer hohen Bergen auf, zwischen denen sich ähnlich tiefe Schluchten öffnen. Als das Licht verlischt, erstarren die Ketten. Auf einer Fläche von einigen Mikrometern hat sich ein geordnetes und stabiles Relief gebildet. Das winzige Gitter kann als Bauteil in der Optik eingesetzt werden. Je nach Strukturierung streut es Lichtstrahlen, teilt oder lenkt sie. Der Clou: Die Struktur lässt sich allein durch das Laserlicht maßschneidern.
"Wir arbeiten mit holographischen Verfahren, um die optischen Bauteile zu strukturieren", erklärt Joachim Stumpe vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam-Golm. "Dabei überlagern wir zwei oder mehrere Lichtstrahlen eines Lasers. Durch Interferenz entsteht ein charakteristisches Helligkeits- und Polarisationsmuster." Die damit belichteten Schichten photosensitiver Polymere werden durch das Licht angeregt und die Makromoleküle wandern - an hellen Stellen schnell, an dunklen gar nicht. Entscheidend für die Bewegung sind lichtempfindliche Molekülgruppen, die wie winzige Härchen von den Polymerketten abstehen. Trifft Licht auf sie, krümmen oder strecken sie sich in einem wiederholbaren Zyklus und wirken so wie ein kleiner Motor. "Die Polymere bewegen sich ähnlich wie eine Schlange im Unterholz", verbildlicht Stumpe den Prozess. "Intensität und Polarisierung des Lichts steuern, wohin sich die Polymere bewegen und damit, wie die Oberflächenstruktur aussieht." Die Forscher können mehrere Strukturen übereinander schreiben, indem sie den Winkel der Lichtstrahlen relativ zur Lage der Polymerschicht ändern. Das Relief lässt sich aber auch wieder löschen: Unter homogenem Laserlicht verteilen sich die Polymere wieder gleichmäßig. Erneute Belichtung mit mehreren Laserstrahlen erzeugt ein neues Relief.
"Die lichtadressierbaren Polymere bieten viele Freiheitsgrade, um zwei und dreidimensionale Strukturen herzustellen", sagt Stumpe. Die Forscher können je nach Anforderung verschiedene Polymere einsetzen. Die einzige Bedingung: Am Polymer müssen lichtempfindliche Azobenzen-Gruppen hängen, damit es wandern kann. Ist das Polymer für ein optisches Bauteil zu teuer oder nicht stabil genug, kann es auch als Formgeber dienen. Die Forscher erzeugen einen Abdruck des holographisch erzeugten Reliefs, mit dem sie dann die Struktur in Metall, Keramik oder andere Kunststoffe übertragen.
Ansprechpartner:
Dr. habil. Joachim Stumpe
Telefon 03 31 / 56 8-12 59, Fax -32 59, Stumpe@iap.fraunhofer.de
