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Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung und ihre Verwendung.
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Fokussierte Laserstrahlen dienen zur lokalen Behandlung bzw. Bearbeitung von Materialien. Besonders wichtig für die Bearbeitung eines Materials ist in diesem Zusammenhang die räumliche Verteilung der Lichtintensität im Brennpunkt (Fokus) des Laserstrahls. Diese räumliche Verteilung kann durch Isointensitäts-Oberflächen, auch als Isophoten bezeichnet, beschrieben werden. Form und Größe der Isophoten werden durch die fokussierenden Optiken sowie die optischen Brechzahlen der zu belichtenden Materialien bestimmt und besitzen üblicherweise die Form von Rotationsellipsoiden, deren längste Achse in axiale Richtung in Bezug auf den Strahlengang des Laserstrahls zeigt.
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Wird ein Laserstrahl auf das Innere eines für die eingesetzte Wellenlänge transparenten Materials fokussiert, so kann die Lichtintensität innerhalb eines kleinen Volumens im Brennpunkt des Laserstrahls die materialspezifische Schwelle für Multiphotonen-Absorption überschreiten. Das Volumen, innerhalb dessen diese Absorption stattfindet, ist durch den Verlauf der Isophoten bestimmt. Die lokale Absorption in diesem Volumen kann physikalische oder chemische Veränderungen hervorrufen, die z. B. im Fall der Belichtung von Photolacken eine selektive chemische Löslichkeit in nachfolgenden Behandlungsschritten zur Folge hat.
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Aus S. Kawata, H.-B. Sun, T. Tanaka und K. Takada, Nature 412, S. 6976–698 (2001) ist das so genannte direkte Laserschreiben bekannt. Hierbei wird ein photosensitives Material mittels eines Lasers belichtet, dessen Frequenz unterhalb der Einphotonen-Polymerisationsschwelle des photosensitiven Materials liegt. Wird dieser Laser auf das Innere des Materials fokussiert, kann im Brennpunkt die Lichtintensität innerhalb eines kleinen Volumens, das durch Isophoten bestimmt ist, die Schwelle für Multiphotonen-Polymerisation überschreiten. Auch hier hat dieses Volumen in der Regel die Form eines Rotationsellipsoids, dessen längste Achse in axiale Richtung zeigt. Durch diese Art der Belichtung findet eine physikalische bzw. chemische Veränderung des dem Laserstrahl ausgesetzten Materials statt.
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M. Martínez-Corral, C. Ibáñez-López, G. Saavedra und M. T. Caballero, Optics Express, 11, S. 1740–45 (2003) und C. Ibáñez-López, G. Saavedra, G. Boyer und M. Martinez-Corral, Optics Express, 13, S. 6168–6174 (2005) beschreiben Amplitudenmasken, die einen Ring mit einer geringeren Transmission als die ihn umgebenden Bereiche aufweisen, für den Einsatz in der Mikroskopie, insbesondere der 2-Photonen-Rastermikroskopie, der Fluoreszenzmikroskopie und der Konfokalmikroskopie. Hierbei dienen die Amplitudenmasken zur Auflösungsverbesserung beim passiven Aufsammeln von Licht.
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Die
US 2005/0046818 A1 , die
DE 10 2005 009 188 A1 und die
US 6,618,174 B2 offenbaren jeweils eine optische Anordnung mit einem Laser, wobei im Strahlengang des aus dem Laser austretenden Laserstrahls zwischen dem Laser und einem fokussierenden Element derart eine Amplitudenmaske eingebracht ist, dass der Laserstrahl so geführt wird, dass die Beaufschlagung der Amplitudenmaske durch den Laserstrahl vor der Fokussierung des Laserstrahls im fokussierenden Element erfolgt.
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Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Anordnung und ihre Verwendung vorzuschlagen, die die vorher genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen. Insbesondere soll eine optische Anordnung bereitgestellt werden, die es ermöglicht, dass in den Isophoten in einem belichteten Material keine Raumrichtung ausgezeichnet ist, so dass die Isophoten möglichst sphärisch ausgebildet sind.
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Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die optische Anordnung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und im Hinblick auf ihre Verwendung durch die Ansprüche 5 und 9 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen Laser, und im Strahlengang des Laserlichts, das aus dem Laser austritt, befinden sich eine Amplitudenmaske und ein fokussierendes Element, wobei die Anordnung derart ausgestaltet ist, dass der Laserstrahl zunächst die Amplitudenmaske beaufschlagt, bevor er anschließend im fokussierenden Element fokussiert wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Amplitudenmaske konzentrisch zur optischen Achse des Laserstrahls angeordnet.
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Die Amplitudenmaske ist erfindungsgemäß so aufgebaut, dass sie ein Gebiet aus genau einem Ring, der konzentrisch um die Achse der Amplitudenmaske angeordnet ist, besitzt. Hierbei ist entscheidend, dass die Transmission innerhalb des Gebiets geringer ist als die Transmission der Bereiche auf der Amplitudenmaske, die außerhalb des Gebiets liegen. Von dieser Bedingung wird für diejenigen Bereiche der Amplitudenmaske abgesehen, die sich als Rand außerhalb der vom Laserstrahl beaufschlagbaren Fläche der Amplitudenmaske befinden. Die Intensität des durch die Amplitudenmaske transmittierten Lichts kann somit stufenlos lokal zwischen 0% und 100% des einfallenden Lichts variiert werden.
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Erfindungsgemäß enthält die optische Anordnung eine Amplitudenscheibe, worin der Ring eine Transmission von 0% bis 60% und die Bereiche auf der Amplitudenmaske außerhalb des Rings eine Transmission zwischen 80% und 100% aufweisen.
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Erfindungsgemäß enthält die Amplitudenscheibe genau einen Ring, der eine Transmission von 0% bis 60%, einen inneren Öffnungswinkel θi von 1° bis 25° und einen äußeren Öffnungswinkel Θa von 60° bis zu einem von der Größe der Amplitudenscheibe abhängenden möglichen maximalen Öffnungswinkel besitzt. Die Öffnungswinkel charakterisieren die Amplitudenmaske in Bezug auf die Eintrittspupille des eingesetzten fokussierenden Elements und dem Öffnungswinkel α, jeweils vom Fokus aus betrachtet.
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Die aufgeführten Parameter für die Amplitudenmaske aus genau einem Ring sind so ausgelegt, dass die axiale Elongation der Isophoten im Vergleich zur lateralen Ausdehnung deutlich verringert wird, gleichzeitig aber die Intensität in den auftretenden Nebenmaxima der Isophoten im Vergleich zum Hauptmaximum gering gehalten wird und gleichzeitig die Abnahme der absoluten Intensität des Hauptmaximums im Vergleich zur Intensität ohne Amplitudenmaske möglichst gering gehalten wird.
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Im Unterschied zur Mikroskopie dienen in der vorliegenden Erfindung Amplitudenmasken nicht zur Auflösungsverbesserung beim passiven Aufsammeln von Licht, sondern zur Einstellung der Intensitätsverteilung im Fokus zur aktiven Bearbeitung von Materialien mittels Laserlichts. Gegenüber der Mikroskopie wird der Lichtweg sozusagen umgekehrt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Amplitudenmaske ein Glassubstrat, auf das der Ring in Form eines Metallfilms, vorzugsweise Gold auf Chrom als Haftschicht, aufgebracht ist, womit sich die Transmission in den metallischen Bereichen einstellen lässt. Der Metallfilm besitzt eine Dicke von 1/100 bis 1/20 der Wellenlänge des Laserstrahls. Für den Bereich des sichtbaren Lichts (400 nm bis 800 nm) sind daher Schichtdicken zwischen 4 nm und 40 nm bevorzugt.
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Damit unterscheidet sich eine Amplitudenmasken gegenüber einer Phasenmaske, die nicht die Amplitude, sondern die Phase eines sie beaufschlagenden Lichtstrahls modifiziert. Um die Phase eines auftreffenden Lichtstrahls zu beeinflussen, sind jedoch transparente Materialien, die Schichtdicken zwischen 1/10 und der 1/2 der Wellenlänge des Laserstrahls, d. h. zwischen 40 nm und 400 nm für sichtbares Licht, besitzen, erforderlich.
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Amplitudenmasken sind darüber hinaus gegenüber Phasenmasken, die ebenfalls zur Manipulation der Isophoten denkbar wären, vorzuziehen, da im Falle der Amplitudenmasken die Phase noch als freier und unabhängiger Parameter zur Verfügung steht, um auftretende sphärische Aberrationen, chromatische Aberrationen oder andere Linsenfehler, deren Ausprägung teilweise davon abhängt, wie tief im Material der Fokus liegt, zusätzlich, ggf. unter Einsatz weiterer optischer Bauelemente, auszugleichen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung findet Verwendung zur Modifikation der räumlichen Intensitätsverteilung im Fokus oder einem Nebenmaximum des Laserstrahls in einem Material, vorzugsweise in einem photosensitiven Material, das durch den Laserstrahl beaufschlagt wird. Insbesondere eignet sich diese Anordnung damit zur Erzeugung von chemischen oder physikalischen Veränderungen, Ablationen, Mikroexplosionen, Plasmen oder Mikrorissen im Material.
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Als belichtetes Material eignen sich insbesondere organische oder anorganische Photolacke, Glas, Ein-Scheiben-Sicherheitsglas (ESG), Verbund-Sicherheitsglas (VSG), Acrylglas (PMMA), Keramikglas, Saphir oder Polycarbonat (PC).
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung von Ein- oder Mehrphotonen-Absorption im Fokus oder einem Nebenmaximum des Laserstrahls innerhalb des Materials verwendet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Laser auf eine oder mehrere Grenzflächen benachbarter Materialien innerhalb des Materials fokussiert, wodurch die erfindungsgemäße Anordnung im Rahmen des Laserschweißens zur Verbindung von zwei oder mehreren Grenzflächen, die im Fokus oder in einem Nebenmaximum des Laserstrahls liegen, dient.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung findet die erfindungsgemäße Anordnung Verwendung für das direkte Laserschreiben. Durch den erfindungsgemäßen Einbau von Amplitudenmasken in den Strahlengang unmittelbar vor dem fokussierenden Element (Objektiv) wird die axiale Elongation im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung der Isophoten im Material verringert und auf diese Weise die Form der Isophoten näher an das Ideal einer Kugelsymmetrie gebracht.
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Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von hierfür besonders ausgestalteten Amplitudenmasken eine Formgebung und Verstärkung der Nebenmaxima der Isophoten, über die zusätzlich und gleichzeitig zum Brennpunkt als Hauptmaximum weitere Gebiete im photosensitiven Material belichtet werden. Hierdurch wird z. B. eine räumlich getrennte Multiphotonen-Polymerisation innerhalb eines Belichtungsschrittes möglich. Damit wird auch die Parallelisierung des Schreibprozesses im direkten Laserschreiben realisierbar.
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Im Anschluss an diese Belichtung lässt sich ggf. eine physikalische oder chemische Nachbehandlung des belichteten Materials durchführen.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße optische Anordnung als Strahlquelle Bestandteil einer optischen Pinzette sein.
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Weiterhin findet die erfindungsgemäße optische Anordnung Einsatz in der Medizintechnik, z. B. für Augenoperationen, zur Tattoo-Entfernung, Gewebeablation, Vaporisation, Exzision, zum Schneiden oder Koagulieren von Weichgewebe mittels Endoskopie.
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Eine Amplitudenmaske für eine erfindungsgemäße Anordnung lässt sich mit dem folgenden Verfahren herstellen.
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Zunächst wird ein für die Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts geeignetes transparentes Substrat, insbesondere aus Glas, bereitgestellt. Hierauf wird mittels eines lithographischen Verfahrens ein Material, bevorzugt Photolack, als planare negative Maske aufgebracht. Hieran anschließend wird eine dünne Schicht, dessen lokale Extinktion bei der Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts zwischen 0% und 100% stufenlos einstellbar ist, auf die Maske aufgedampft. Die lokale Extinktion ergibt sich als Produkt der Extinktionen der einzelnen aufgedampften Schichten. Als Material für die Schichten eignen sich sowohl absorbierende als auch reflektierende Materialien, insbesondere Metallfilme.
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Nach dem Ablösen der auf das Substrat aufgebrachten Maske, bleibt die dünne Schicht als Positiv auf dem Substrat übrig (Lift-off-Verfahren). Dieses Positiv stellt die gewünschte Amplitudenmaske dar.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen im Einzelnen:
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1 Schematischer Aufbau einer optischen Anordnung (a) bzw. der Amplitudenmaske (b und c)
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2 Schema eines bevorzugten Herstellungsverfahrens für eine Amplitudenmaske (a bis e)
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3 Isophoten um den Fokus bei der Fokussierung eines Laserstrahls auf ein photosensitives Material ohne Amplitudenmaske (Stand der Technik)
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4 Isophoten um den Fokus bei der Fokussierung eines Laserstrahls auf ein photosensitives Material mit einer Amplitudenmaske (Transmission = 10,21%; Öffnungswinkel = 12°, θa = 65,8951°)
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5 Isophoten um den Fokus bei der Fokussierung eines Laserstrahls auf ein photosensitives Material mit einer Amplitudenmaske (Transmission = 4,21%, Öffnungswinkel θi = 23°, θa = 62,2218°)
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6 Schnitte durch Strukturen, hergestellt mittels direktem Laserschreiben ohne (a) oder mit (b) Amplitudenmaske
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1a) zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 und ihre Verwendung zur Modifikation der räumlichen Intensitätsverteilung eines fokussierten Laserstrahls in einem photosensitiven Material 5. Aus einem Laser 1 tritt ein Laserstrahl 2 aus, in dessen Strahlengang sich zwischen dem Laser 1 und einem fokussierenden Element 4 eine Amplitudenmaske 3 befindet.
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In einer bevorzugten Verwendung bildet der durch das fokussierende Element 4 modifizierte Laserstrahl 2' innerhalb eines photosensitiven Materials 5 einen Brennpunkt (Fokus) 6 sowie, je nach den Eigenschaften der eingesetzten Amplitudenmaske 3 und des fokussierenden Elements 4, darüber hinaus auch zwei oder ggf. mehrere Nebenmaxima 7, 7'.
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In 1b) ist schematisch eine konzentrisch aufgebaute Amplitudenmaske 3, die einen einzigen Ring 31 aufweist, dargestellt. In der Mitte der Amplitudenmaske 3 befindet sich ein erster Bereich 30, um den der einzige Ring 31 angeordnet ist. Außerhalb des Rings 31 befindet sich ein weiterer Bereich 32, der genau wie der Bereich 30 eine höhere Transmission für die Laserstrahlung im Vergleich zur Transmission des Rings 31 besitzt. Der Rand 39 der Amplitudenmaske 3, der sich außerhalb des Laserstrahls 2 befindet, weist einen beliebigen Wert für die Transmission zwischen 0% und 100% auf.
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1c) zeigt eine weitere schematische Darstellung der konzentrisch aufgebauten Amplitudenmaske 3 mit einem einzigen Ring 31 aus 1b). Der innere Öffnungswinkel Θi und der äußere Öffnungswinkel Θa charakterisieren die Amplitudenmaske 3 in Bezug auf die Eintrittspupille des eingesetzten fokussierenden Elements 4 und dem Öffnungswinkel α.
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In 2 ist schematisch ein mögliches Verfahren zur Herstellung einer Amplitudenmaske 3 dargestellt. 2a) zeigt die Bereitstellung eines für die Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts geeigneten transparenten Substrats 300, auf das gemäß 2b) eine erste Schicht 301 aus einem Material, bevorzugt Photolack, aufgebracht wurde und anschließend gemäß 2c) eine planare negative Maske der zu realisierenden Amplitudenmaske 3 hergestellt wurde.
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In 2d) ist dargestellt, wie hieran anschließend eine dünne zweite Schicht 302 aus Chrom, das als Haftvermittler dient, und Gold, deren lokale Extinktion bei der Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts zwischen 0% und 100% stufenlos einstellbar ist, auf die Maske 301 aufgedampft wurde. Nach dem Ablösen der gemäß 2c) auf das Substrat 300 aufgebrachten ersten Schicht 301 (Maske), blieb, wie in 2e) dargestellt, die zweite Schicht 302 als Positiv auf dem Substrat 300 übrig. Dieses Positiv stellt die Amplitudenmaske 3 dar.
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3 zeigt als Stand der Technik berechnete Werte der Isophoten (normiert) bei der Fokussierung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 800 nm in den Photolack SU-8 (Brechzahl n = 1,589). Für das fokussierende Element wurden folgende Parameter angenommen: Öl-Immersions-Mikroskop-Objektiv mit einer Brechzahl nol = 1,518, eine numerische Apertur NA = 1,4, eine Brennweite f = 2 mm und ein maximaler Öffnungswinkel von α ≈ 67,26° (aus sinα = NA/nöl). Hierbei ist deutlich der ellipsoide Querschnitt der Isophoten zu erkennen.
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4 zeigt berechnete Werte der Isophoten (normiert) mit denselben Parametern wie in 3 bei erfindungsgemäßem Einsatz einer ersten Amplitudenmaske, bestehend aus einem Ring mit einer Transmission = 10,21% und Öffnungswinkeln θi = 12°, θa = 65,8951° auf einem transparenten Glassubstrat. Hierbei ist deutlich der Querschnitt der Isophoten zu erkennen, deren Profil wesentlich sphärischer im Vergleich zu 3 ist.
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5 zeigt berechnete Werte der Isophoten (normiert) mit denselben Parametern wie in 3 bei erfindungsgemäßem Einsatz einer zweiten Amplitudenmaske, bestehend aus einem Ring mit Transmission = 4,21% und Öffnungswinkeln θi = 23°, θa = 62,2218° auf einem transparenten Glassubstrat. Auch hier zeigt sich, dass das Profil der Isophoten im Brennpunkt wesentlich sphärischer im Vergleich zu 3 ist. Zusätzlich ermöglichen die hierbei auftretenden Isophoten in den Nebenmaxima die gleichzeitige Belichtung von drei Gebieten innerhalb des photosensitiven Materials.
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6 zeigt Schnitte durch Strukturen, die mittels direktem Laserschreiben ohne die erfindungsgemäße Anordnung (6a) bzw. mit der erfindungsgemäßen Anordnung 10 (6b) hergestellt wurden. Die Zentralwellenlänge des eingesetzten Lasers 1 betrug λ = 780–800 nm (variabel); als fokussierendes Element 4 wurde ein Mikroskopobjektiv mit den in 3 aufgeführten Parametern eingesetzt. Die Amplitudenmaske 3 wies, angepasst an den Durchmesser der Eintrittspupille des fokussierenden Elements 4, einen metallischen Ring 31 auf, der aus einem ca. 4 nm dünnen Film aus Chrom und einem ca. 23 nm dünnen Film aus Gold bestand und die Öffnungswinkel θi = 12,00° ± 1,00° und θa = 65,90° ± 1,00° zeigte. Die Transmission des Rings 31 betrug 10% ± 1%, wobei dieser Wert die Transmission durch das Gebiet des metallisierten Glassubstrats relativ zur Transmission durch das umgebende Glassubstrat angibt.
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Die Struktur in 6a) wurde mittels eines einfachen fokussierten Laserstrahls ohne Amplitudenmaske hergestellt. Für die Herstellung der Struktur in 6b) wurde erfindungsgemäß eine Amplitudenmaske 3 eingesetzt, die unmittelbar vor das Mikroskopobjektiv als fokussierendem Element 4 in den Laserstrahl 2 eingebracht wurde.
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Aus dem Vergleich zwischen den 6a) und 6b) ist zu erkennen, dass trotz des Einsatzes der Amplitudenmaske die Belichtung des photosensitiven Materials noch immer gut möglich ist und die Strukturen nach wie vor eine hohe Qualität besitzen. Weiterhin zeigt der Schnitt durch die Strukturen eine deutliche Verbesserung des tropfenförmigen Querschnitts der Balken, da in 6b) die axiale Elongation in z-Richtung im Vergleich zur lateralen Ausdehnung reduziert ist.