Fokus Forschung: Vortrag zur 20. NWK: Herstellung von mikrooptischen Bauelementen in wide band gap Materialien und Quarzglas mittels Fluorlaser-Mikrostrukturierung

19.06.2019, 16:00

Sebastian Büttner forscht zu laserbasierten Strukturierungsverfahren

Referent zur 20. NWK: Sebastian Büttner

Mikrooptiken gewinnen zunehmend an Bedeutung für die Lösung technischer Probleme. So kommen sie z.B. in der optischen Datenübertragung oder in der Lasertechnik zum Einsatz. In den vergangenen Jahren wurden immer mehr Verfahren entwickelt, um Optiken mit Abmessungen im Bereich weniger Mikrometer zu fertigen. Welches Verfahren auf welches Material angewendet werden kann, wird einerseits durch diverse Materialeigenschaften und andererseits durch die Form und Größe der zu erzeugenden optischen Elemente bestimmt. Dadurch beschränkt sich die Anzahl verfügbarer Methoden zur Herstellung von Mikrooptiken in hochreinen Quarzgläsern und optischen Kristallen derzeit fast ausschließlich auf verschiedene Strukturierungsmethoden aus der Halbleitertechnik.  

Eine Alternative bieten hier neue laserbasierte Strukturierungsverfahren, wie die Femtosekundenlaser- und die Fluorlaser-Mikrostrukturierung. Aufgrund der speziellen Eigenschaften der Laserstrahlung ist die Bearbeitung dieser Materialien, welche auch als wide band gap Materialien bezeichnet werden, möglich. Im Rahmen der Nachwuchsforschergruppe „UltraLas“ werden diese Verfahren und speziell deren Eignung zur Herstellung mikrooptischer Bauelemente am Laserinstitut Hochschule Mittweida untersucht und weiterentwickelt. Die Fluorlaser-Mikrostrukturierung erweist sich dabei als besonders flexibles Verfahren, welches bereits sehr gute Ergebnisse liefert.

Aufgrund der kurzen Wellenlänge von 157 nm und der damit einhergehenden hohen Photonenenergie ist der Fluorlaser für die Bearbeitung von wide band gap Materialien optimal geeignet. In Verbindung mit dem verwendeten Maskenprojektionsverfahren sind so nahezu alle gängigen optischen Elemente herstellbar. Die Herstellungsmethoden unterscheiden sich lediglich in der Form der verwendeten Projektionsmaske und der Relativbewegung von Maske und Werkstück. Die Bearbeitungsstrategie muss dabei für das jeweilige optische Element angepasst und die entsprechend notwendigen Prozessparameter ermittelt werden. Durch einen simplen Maskenwechsel und die Änderung der Bearbeitungsstrategie können auf einem Werkstück eine Vielzahl von Optiken mit gänzlich unterschiedlichen geometrischen und optischen Eigenschaften erzeugt werden.

 

Durch die Entwicklung verschiedener Verfahrensvarianten konnten bereits viele unterschiedliche optische Elemente wie z.B. Zylinderlinsen, Zylinderlinsen-Arrays und Fresnel-Linsen hergestellt werden. Die erzeugten Elemente weisen neben einer guten Formgenauigkeit eine gute Oberflächenrauheit von nur 20 nm auf. Bezüglich der erreichbaren Qualität der hergestellten Optiken gibt es dennoch viele Herausforderungen zu bewältigen. Neben den Untersuchungen zu den Herstellungsmethoden versuchen wir die Oberflächenqualität stetig zu verbessern, da sich diese direkt auf die Funktion der Optiken auswirkt. In Zukunft wird sich der Fokus unserer Untersuchungen von der Entwicklung der Strukturierungsmethoden hin zur Charakterisierung und Verbesserung der optischen Eigenschaften und auf die damit verbundene Prozessoptimierung verlagern.

Text: Sebastian Büttner
Fotos: (1) Helmut Hammer, alle anderen: Sebastian Büttner