CO2-Laserglättung

Die CO2-Laserglättung ist ein Verfahren zur Endbearbeitung von Glasoberflächen, welches am Laserinstitut Hochschule Mittweida speziell zur Glättung diffraktiver optischer Elemente weiterentwickelt wurde.

Die meisten Gläser besitzen für die Wellenlänge des CO2-Lasers einen hohen Absorptionsgrad. Durch die Bestrahlung der Oberflächen ist somit, je nach eingesetzter Laserleistung, eine sehr schnelle und effektive Erwärmung des Materials möglich. Zudem erfolgt die Absorption aufgrund des großen Absorptionskoeffizienten innerhalb einer wenige Mikrometer dicken Schicht an der Oberfläche. Die Erwärmung der Oberfläche führt zur Verringerung der Viskosität des Materials. Bei Gläsern tritt kein Phasenübergang vom festen zum flüssigen Zustand auf, d. h. mit der Temperatur ändert sich die Viskosität des Materials kontinuierlich. Erfolgt die Erwärmung über die Erweichungstemperatur hinaus, wird das Material zunehmend fließfähig. Bei ausreichender Senkung der Viskosität kann in dem Material die Oberflächenspannung wirken, was zur Minimierung und somit zur Glättung der Oberfläche führt. Der Grad der Glättung ist dabei von der Temperatur des Materials und der Interaktionszeit, d. h. dem Zeitintervall in dem die Oberflächenspannung wirken kann, abhängig.

Aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit der Viskosität und der daraus resultierenden Glättungswirkung ist es notwendig, den Prozess über die Temperatur zu steuern. Die Temperaturerfassung erfolgt mittels Pyrometer, welches gleichzeitig ein analoges Steuersignal zur Laserleistungsregelung bereitstellt. Die benötigte Laserleistung wird anhand von  Ist- und Solltemperatur berechnet und am Lasergerät über eine Referenzspannung eingestellt. Durch den Regelkreis kann die Temperatur auf wenige °C eingehalten werden. Um zu verhindern, dass thermisch indizierte Spannung zum Bruch der Substrate führen, werden die Substrate vorgeheizt und im Anschluss an die Glättung langsam abgekühlt, um diese Spannungen abzubauen.

Das Verfahren kann in unterschiedlichen Varianten umgesetzt werden. Am LHM wurden zwei Varianten der CO2-Laserglättung untersucht. Im Wesentlichen unterscheiden sich diese in der Erzeugung des Temperaturfeldes auf dem Werkstück. Dies erfolgt einerseits durch den Einsatz eines Scanners und andererseits durch den Einsatz einer Zylinderlinse in Kombination mit einer Linearachse.

Beim Scanner-Verfahren wird der Laserstrahl auf einer Mäanderbahn über das Werkstück geführt. Durch das wiederholte Abrastern des Glättungsbereichs wird so ein flächiges Temperaturfeld erzeugt. Aufgrund der hohen Bahngeschwindigkeit von 2 m/s erfolgt eine nahezu homogene Erwärmung der bestrahlten Fläche. Aufgrund dessen ist auch die Glättungswirkung im bestrahlten Bereich nahezu homogen. Des Weiteren ist bei dieser Verfahrensvariante die Temperaturmessung aufgrund der Größe des Scann-Feldes sehr zuverlässig.

Das zweite Verfahren nutzt als Optik eine Zylinderlinse in Kombination mit einer Linearachse. Durch die einseitige Fokussierung wird aus dem runden, ein elliptischer Strahlquerschnitt. Entsprechend der der Intensitätsverteilung über den Laserstrahlquerschnitt baut sich im Material ein Temperaturfeld auf. Durch die Bewegung des Substrates mit einer Linearachse wird das Temperaturfeld über dessen Oberfläche geführt. Die Bewegung erfolgt dabei entlang der kurzen Hauptachse der Ellipse, sodass eine relativ breite Glättungsspur von mehreren Millimetern erzeugt werden kann. Aufgrund des inhomogeneren Temperaturfeldes ist die Glättungswirkung jedoch nur im mittleren Bereich der Glättungsspur homogen. Dennoch bietet das Verfahren deutliche Vorteile gegenüber dem Scanner-Verfahren, da es z. B. sehr gut in eine Fertigungsstrecke integriert werden kann. Des Weiteren besitzt das Verfahren bezüglich der Homogenität und der Prozessgeschwindigkeit ein hohes Optimierungspotenzial.

Beide Verfahrensvarianten konnten bereits erfolgreich zur Glättung optischer Oberflächen angewendet werden. Am Beispiel von diffraktiven Phasenelementen (DPEs) konnte bereits gezeigt werden, dass mit dem Verfahren eine Glättung der Oberfläche möglich ist ohne die eigentliche Geometrie der Struktur zu ändern. Die Oberflächerauheit der Pixelflächen der mittels Fluorlaser in Quarzglas hergestellten DPEs konnte von Sq = 50 nm mit dem Zylinderlinsen-Verfahren auf Sq = 14 nm  und mit dem Scanner-Verfahren auf Sq = 10 nm gesenkt werden. Durch die Senkung der Rauheit wird eine deutliche Verbesserung der Qualität der Beugungsbilder der hergestellten DPEs erreicht. Zudem werden unerwünschte Stegstrukturen zwischen den einzelnen Pixeln nahezu entfernt.

Mit Hilfe der CO2-Laserglättung ist es theoretisch auch möglich, das Oberflächenprofil von DPEs gezielt so umzuschmelzen, dass ein quasi kontinuierlicher Verlauf entsteht. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass höhere Beugungsordnungen entstehen.

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

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