Zwei-Photonen-Polymerisation zur Erzeugung mikrostrukturierter 3D-Freiformtargets für die Laser-Ionen-Beschleunigung

Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit befasst sich mit der Methode der Zwei-Photonen-Polymerisation zur Herstellung von Materialproben für die Laser-Ionen-Beschleunigung. Diese Materialproben, welche auch als Targets bezeichnet werden, werden in Experimenten zur Untersuchung von Licht-Materie- Wechselwirkung bei höchster Laserleistung eingesetzt, bei denen insbesondere die Beschleunigung von Teilchen im Mittelpunkt steht. Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Implementierung eines ganzheitlichen Verfahrens zur Produktion von dreidimensionalen Freiformtargets. Ziel dabei war es, sowohl den expe- rimentellen Aufbau, als auch eine geeignete Prozesskette für den gesamten Ablauf der Targetherstellung zu etablieren und zu optimieren. Die Stärke der Zwei-Photonen-Polymerisation liegt darin, dass mit ihr sehr hoch aufgelöste, dreidimen- sionale Freiformgeometrien gefertigt werden können. Die bisher in der Targetherstellung vielfach ver- wendeten klassisch mechanischen Herstellungsverfahren (wie zum Beispiel Drehen und Fräsen) sind für solch kleine Freiformstrukturen, in der Größenordnung einiger μm3, weniger geeignet. Die hohe Auflösung der Zwei-Photonen-Polymerisation geht einher mit einer verhältnismäßig langen Produktionszeit, weshalb sich dieses Verfahren besonders für kleine, massenlimitierte Targets eignet. Um diese feinen Mikrostrukturen handhaben zu können, wird eine größere Haltestruktur benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die integrierte Herstellung von Haltestrukturen und hochaufgelösten dreidimensionalen Targets auf Waferbasis möglich ist. Dabei wird eine maskenbasierte UV-Belichtung zur Herstellung der großflächigen Haltestrukturen benutzt, während die mikrostruktu- rierten dreidimensionalen Freiformtargets durch Zwei-Photonen-Polymerisation belichtet werden. Es fanden zwei unterschiedliche Kombinationen (Proben) aus Substratmaterial, Photolack und Opfer- schicht als Ausgangsmaterial Anwendung. Mit beiden Proben konnte nachgewiesen werden, dass es möglich ist, Zwei-Photonen-Polymerisation mit konventioneller UV-Lithographie zu kombinieren. Um die Funktionsweise des Gesamtprozesses zu demonstrieren, wurden unter anderem rückseitenmodulier- te hemispherische Targets produziert. Eine solche Targetgeometrie erlaubt zum Beispiel die experimen- telle Untersuchung der ballistischen Fokussierung eines laserbeschleunigten Teilchenstrahls. Bei der Verwendung eines dieser so hergestellten Targets in einem Experiment zur Laser-Ionen-Beschleu- nigung am Lasersystem PHELIX der GSI im Frühjahr 2018 konnte gezeigt werden, dass eine Teilchenbe- schleunigung mit derartigen Targets möglich ist.

The present work deals with the method of two-photon polymerization for the preparation of material samples for the laser-ion acceleration. These material samples, which are also called targets, are used in experiments to study light-matter interaction at highest laser power, which focuses in particular on the acceleration of particles. The focus of this work is the implementation of a holistic process for the produc- tion of three-dimensional free-form targets. The aim is to establish and optimize both an experimental setup and a suitable process chain for the entire process of target creation. The strength of the two-photon polymerization lies in the fact that it can be used to produce three- dimensional free-form structures with a high resolution. The class of micro-machining methods, which currently are widely used in the target preparation, like milling and lathing, are less suitable for such small free-form geometries in the order of few μm3. The high resolution of the two-photon polymerization goes along with a relatively long production time, which is why this method is particularly suitable for small, mass-limited targets. To handle these small structures a holding-frame is necessary. In the context of this work it could be shown, that the integrated production of holding-frames and high resolution three-dimensional targets on a wafer basis is possi- ble. Doing this, a mask-based UV exposure is used to produce the large-area holding-frame, while the microstructured three-dimensional free-form targets are exposed by two-photon polymerization. Two different combinations (samples) of substrate material, photoresist and sacrificial layer as starting material were used. With both samples it could be shown, that it is possible to combine two-photon polymerization with conventional UV lithography. In order to demonstrate the functionality of the overall process, backside modulated hemispheric targets were produced. Such a target geometry allows, for example, the experimental investigation of the ballistic focusing of a laser-accelerated particle beam. When using one of these targets in a laser ion acceleration experiment on the GSI PHELIX laser in spring 2018, it was shown that particle acceleration with such targets is possible.