Laserstrahlglätten / -polieren

Das Laserstrahlglätten und -polieren ist für metallische und nichtmetallische Oberflächen geeignet.

Bei metallischen Oberflächen wird am Laserinstitut Hochschule Mittweida ein Hochleistungsfaserlaser in Kombination mit einer ultraschnellen Strahlablenkung mittels Polygonspiegelscanner eingesetzt, um dünne Schmelzschichten auf der Materialoberfläche zu erzeugen. Diese bewirken einen Poliereffekt. Mit diesem Verfahren sind hohe Flächenraten erreichbar.

Für die Endbearbeitung von nichtmetallischen Oberflächen, speziell Glasoberflächen, wurde die CO2-Laserglättung am LHM speziell zur Glättung diffraktiver optischer Elemente weiterentwickelt.

Beim Erwärmen von Glas kommt es nicht wie bei gewöhnlichen Festkörpern zu einem Phasenübergang, sondern zu einer kontinuierlichen Änderung der Viskosität. Der Grund dafür ist, dass Glas bei Raumtemperatur als unterkühlte Schmelze d. h. auch im "festen" Zustand in flüssiger Phase, aber mit sehr hoher Viskosität vorliegt. Bei dem Material hängt die Viskosität sehr stark von der Temperatur ab und verringert sich mit deren Zunahme um mehrere Größenordnungen. Durch die Verringerung der Viskosität kommt die in Flüssigkeiten wirkende Grenzflächenspannung zur Geltung, welche zu einer Minimierung der Grenzfläche, d.h. der Substratoberfläche führt.

Das Gegenspiel von Viskosität und Oberflächenspannung erlaubt hierbei eine gezielte Steuerung der Glättungswirkung über die Temperatur und Wechselwirkungszeit. Der CO2-Laser dient hierbei als Energiequelle, um auf der Materialoberfläche ein Temperaturfeld aufzubauen. Dadurch können Temperatur von mehr als 2.000 °C erzeugt und gehalten werden, was die Glättung von hochreinem Quarzglas ermöglicht.

Das Verfahren kann für die Glättung unterschiedlicher Strukturen auf unterschiedlichen Gläsern eingesetzt werden. Die Prozessparameter, wie z.B. die Glättungstemperatur und die Wechselwirkungszeit müssen jedoch auf das Material und die entsprechende Zielstruktur angepasst werden.

Am LHM wird die CO2-Laserglättung maßgeblich für die Nachbearbeitung von lasergefertigten Mikrooptiken eingesetzt. Das Verfahren wurde aber auch auf makroskopische Strukturen und Substraten erfolgreich angewendet. Mit diesem Prozess konnte die Qualität von diffraktiven optischen Elementen und Zylinderlinsen-Arrays deutlich gesteigert und die Oberflächenrauheit derzeit auf weniger als 5 nm reduziert werden.

 

Einsatz der Lasermikrostrukturierung für die Erzeugung von diffraktiven und refraktiven optischen Bauelementen (LAMIDIRE)

Laufzeit: 2011 - 2014
Förderung: BMBF (Programm VIP)
Projektpartner:
Projektleitung: Prof. Dr. rer. nat. S. Weißmantel, Prof. Dr. rer. nat. B. Steiger
M. Pfeifer, S. Büttner, S. Weißmantel:
CO2-Laserglättung von diffraktiven Phasenelementen in Quarzglas,
In: Scientific Reports, Journal of the University of Applied Sciences Mittweida 4/2015, S. 187-191

M. Pfeifer, S. Büttner, S. Weißmantel:
CO2-Laserglättung von diffraktiven Phasenelementen in Quarzglas,
In: Lasermagazin 2/2015, S. 28-29

M. Pfeifer, F. Jahn, A. Kratsch, B. Steiger, S. Weißmantel:
F2-Lasermikrostrukturierung von diffraktiven Phasenelementen,
In: Innovative Fertigung durch Lasersysteme neuester Generation, DVS-Berichte Band 307, Düsseldorf: DVS Media, 2014, ISBN: 978-3-945023-04-4, S. 191-199

M. Pfeifer, F. Jahn, A. Kratsch, B. Steiger, S. Weissmantel:
F2-Laser Microfabrication of Diffractive Phase Elements,
In: Proceedings of 2nd International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology (2014), S. 91-96

Anfragen
Forschungsgruppenleiter
Prof. Dr.-Ing. André Streek
Tel.: +49 (0) 3727 / 58-1837
Fax: +49 (0) 3727 / 58-21837
eMail: streek(at)hs-mittweida.de

Prof. Dr. rer. nat. Steffen Weißmantel
Tel.: +49 (0) 3727 / 58-1449
Fax: +49 (0) 3727 / 58-21449
eMail: steffen.weissmantel(at)hs-mittweida.de