Forschung & Entwicklung

Ablatives Verfahren zur Optikbearbeitung

Das Laser Beam Figuring, ein ablatives Verfahren für die Ultrapräzisionsbearbeitung von Optiken, ermöglicht einen Abtrag von weniger als 5 Nanometer. Damit wird eine komplette Prozesskette für die laserbasierte Optikfertigung möglich.

Asphären weisen sehr gute Abbildungseigenschaften auf. Ihr Nachteil ist jedoch die mechanische Bearbeitung. Sie ist deutlich zeitaufwändiger als bei konventionellen sphärischen Optiken. Und für eine hohe Oberflächengüte ist oft noch eine spezielle Nachbehandlung nötig.

Das Laserpolieren ist ein erster Schritt, um die Oberflächenbearbeitung zu vereinfachen. Dabei wird die Glasoberfläche mit CO2-Laserstrahlung bis knapp unter die Verdampfungstemperatur erwärmt. Die Viskosität der Oberfläche sinkt, die Rauheit kann ausfließen und die Oberfläche wird geglättet. So lässt sich die Mikrorauigkeit schnell verbessern. Für periodische Strukturen mit einer Wellenlänge von über 100 Mikrometer, die bei der mechanischen Bearbeitung entstehen können, reicht das Laserpolieren nicht aus. Da sind ultrapräzise abtragende Verfahren nötig.

Für die Ultrapräzisionsbearbeitung mit einem Abtrag von wenigen Nanometern sind bislang das Ion Beam Figuring (IBF) und das magnetorheologische Polieren (MRF) die Methoden der Wahl. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT haben jetzt ein laserbasiertes Verfahren entwickelt, das genauer und schneller arbeiten kann.

Beim Laser Beam Figuring (LBF) wird mit einem gepulsten CO2-Laser Glasmaterial von der Oberfläche abgetragen. Die Abtragrate lässt sich dabei durch die Dauer des Laserpulses genau regeln. Die horizontale Ausdehnung des Abtrags wird im Wesentlichen durch die Größe des Laserspots bestimmt. So ist beim Abtrag eine vertikale Auflösung von unter 5 Nanometer und eine laterale Auflösung von unter 100 Mikrometer möglich. Im Unterschied zum IBF funktioniert das LBF-Verfahren ohne Vakuum und benötigt auch keine zusätzlichen Flüssigkeiten wie der MRF-Prozess. Gleichzeitig ermöglicht das LBF maximale Flexibilität bei der Formgebung, da das kontaktfreie Verfahren auf fast beliebig geformten Oberflächen funktioniert.

Mit dem LBF wird erstmals eine durchgängig laserbasierte Prozesskette in der Optikfertigung möglich. In einem ersten Schritt wird für eine individuelle Form das Material relativ grob abgetragen. Danach wird die Oberfläche mit dem Laser poliert. Zur abschließenden Formkorrektur wird dann LBF eingesetzt. Dank seiner Schnelligkeit und der Flexibilität bei der Oberflächenform eignet sich das Verfahren besonders gut für die kostengünstige Formkorrektur von nichtsphärischen optischen Komponenten in kleinen bis mittleren Stückzahlen. Neben Asphären kommen dafür auch Mikrooptiken in Frage. Dabei kann die Laserformkorrektur sowohl mit dem Laserpolieren als auch mit konventionellen Bearbeitungsverfahren kombiniert werden.

Die Arbeiten wurden unter anderem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Vorhabens RapidOptics gefördert.

von mn

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