DE102014200742B4 - Process for anti-reflective coating of an optical element, optical element and terahertz system - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Entspiegeln einer Oberfläche (1) eines optischen Elements (2), bei dem die Oberfläche (1) mit einer reflexionsmindernden Oberflächenstruktur versehen wird, wobei die Oberflächenstruktur mittels mindestens eines Laserstrahls (5) erzeugt wird, der auf die Oberfläche (1) gerichtet und über die Oberfläche (1) geführt wird dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) mit einer Pulsdauer von unter 20 ps gepulst ist und wobei das optische Element (2) eine zur Strahlführung von Terahertz-Strahlung geeignete Linse ist.A method for anti-reflective coating of a surface (1) of an optical element (2), in which the surface (1) is provided with a reflection-reducing surface structure, the surface structure being generated by means of at least one laser beam (5) directed onto the surface (1) and guided over the surface (1), characterized in that the laser beam (5) is pulsed with a pulse duration of less than 20 ps and the optical element (2) is a lens suitable for beam guidance of terahertz radiation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entspiegeln einer Oberfläche eines optischen Elements, bei dem die Oberfläche mit einer reflexionsminderndenreflexionsmindernden Oberflächenstruktur versehen wird, und ein optisches Element mit einer durch ein solches Verfahren entspiegelten Oberfläche.The invention relates to a method for anti-reflective coating of a surface of an optical element, in which the surface is provided with a reflection-reducing, reflection-reducing surface structure, and an optical element with a surface which is anti-reflective by such a method.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Oberflächen optischer Elemente zu entspiegeln, indem diese Oberflächen mit mikroskopischen Strukturen versehen werden, die einen Brechungsindexgradienten in einer Oberflächenschicht zur Folge haben. Gegenüber herkömmlichen Entspiegelungen durch Antireflexbeschichtungen haben derartige Oberflächenstrukturierungen den Vorteil, dass sie den Reflexionsgrad der jeweiligen Oberfläche über einen vergleichsweise großen Wellenlängenbereich signifikant reduzieren. Eine solche Entspiegelung wird z.B. in der Druckschrift DE 10 2005 048 365 A1 beschrieben. Aufgrund des dort vorgeschlagenen Ätzverfahrens für die Herstellung der Oberflächenstruktur eignet diese sich jedoch nur für eine Entspiegelung für elektromagnetische Wellen in einer Umgebung des im sichtbaren Bereichs.It is known from the prior art to antireflect surfaces of optical elements by providing these surfaces with microscopic structures which result in a refractive index gradient in a surface layer. Compared to conventional anti-reflective coatings through anti-reflective coatings, surface structures of this type have the advantage that they significantly reduce the degree of reflection of the respective surface over a comparatively large wavelength range. Such an anti-reflective coating is described, for example, in the publication DE 10 2005 048 365 A1 described. Due to the etching process proposed there for the production of the surface structure, however, this is only suitable for an anti-reflective coating for electromagnetic waves in an environment in the visible range.

In der Veröffentlichung US 2013/0156053 A1 wird ein Verfahren zum Entspiegeln einer Oberfläche eines optischen Elements beschrieben, bei dem die Oberfläche mit einer reflexionsmindernden Oberflächenstruktur versehen wird. Das Verfahren weist die im Oberbegriff genannten Merkmale auf. Insbesondere beschreibt diese Veröffentlichung einen THz-Emitter mit einem Hauptkörper („main body“), der als optisch parametrischer Resonator für THz-Strahlung dient und zu diesem Zweck aus einem optisch nicht-linearen Kristall gebildet ist, beispielsweise aus Lithiumniobat.In the publication US 2013/0156053 A1 describes a method for anti-reflective coating of a surface of an optical element, in which the surface is provided with a reflection-reducing surface structure. The method has the features mentioned in the preamble. In particular, this publication describes a THz emitter with a main body (“main body”) which serves as an optically parametric resonator for THz radiation and for this purpose is formed from an optically non-linear crystal, for example from lithium niobate.

In der Veröffentlichung US 2011/0051250 A1 wird ein optisches Element beschrieben, auf und unterhalb dessen Oberfläche eine Lochstruktur mittels eines Lasers eingearbeitet wird. Bei der Herstellung der Lochstruktur wird das Material des optischen Elements durch die Laserstrahlung so weit erhitzt, dass es thermisch zerfällt und gasförmiger Sauerstoff erzeugt wird, welcher die entstehenden Löcher ausfüllt.In the publication US 2011/0051250 A1 describes an optical element on and below the surface of which a hole structure is incorporated by means of a laser. During the production of the hole structure, the material of the optical element is heated by the laser radiation to such an extent that it thermally decomposes and gaseous oxygen is generated, which fills the holes that are created.

Die Veröffentlichung US 2012/0026591 A1 beschreibt die Herstellung einer Oberflächenstruktur eines optischen Elements mittels eines Ätzverfahrens.The publication US 2012/0026591 A1 describes the production of a surface structure of an optical element by means of an etching process.

Die Veröffentlichung US 2008/0073438 A1 beschreibt ein Verfahren zur Strukturierung von Siliziumwafern mit Femtolaserpulsen, beispielsweise zur Herstellung einer Beschriftung auf dem Siliziumwafer.The publication US 2008/0073438 A1 describes a method for structuring silicon wafers with femto laser pulses, for example for producing an inscription on the silicon wafer.

Die Veröffentlichung US 2006/0217601 A1 beschreibt ein System mit einer THz-Linse aus Silizium.The publication US 2006/0217601 A1 describes a system with a THz lens made of silicon.

In der Veröffentlichung von Clapham, P.B., Hutley, M.C., mit dem Titel Reduction of Lens Reflexion by the .Moth Eye“ Principle, erschienen in Nature, Vol. 244, 1973, S. 281-282 , wird die Herstellung von Oberflächenstrukturen beschrieben, welche die Reflexe von sichtbarem Licht auf Glasmaterialien reduzieren.In the publication of Clapham, PB, Hutley, MC, entitled Reduction of Lens Reflexion by the Moth Eye Principle, published in Nature, Vol. 244, 1973, pp. 281-282 , describes the production of surface structures that reduce the reflections of visible light on glass materials.

In der Veröffentlichung von Bruckner, C., et al., mit dem Titel „Broadband antireflective surface-relief structure for THz optics“, erschienen in Optics Express, Vol. 15, 2007, No. 3, S 779-789 werden THz-Linsen mit reflexmindernden Oberflächenstrukturen beschrieben, wobei die Antireflex-Strukturen mechanisch mittels eines Diamantenwerkzeugs in eine Kunststoffoberfläche eingebracht werden.In the publication of Bruckner, C., et al., Entitled “Broadband antireflective surface-relief structure for THz optics”, published in Optics Express, Vol. 15, 2007, no. 3, pp 779-789 THz lenses with anti-reflective surface structures are described, whereby the anti-reflective structures are mechanically introduced into a plastic surface using a diamond tool.

In der Veröffentlichung von Bruckner, C., u.a., mit dem Titel „Broadband antireflective structures applied to high resistive float zone silicon in the THz spectral range“, erschienen in Optics Express, Vol. 17, 2009, No. 5, S. 3063-3077 , wird ein Herstellungsverfahren für eine Antireflex-Struktur auf ebenen Siliziumsubstraten durch reaktives lonentiefenätzen (DRIE) beschreiben.In the publication of Bruckner, C., et al., With the title “Broadband antireflective structures applied to high resistive float zone silicon in the THz spectral range”, published in Optics Express, Vol. 17, 2009, no. 5, pp. 3063-3077 , describes a manufacturing process for an anti-reflective structure on flat silicon substrates by reactive ion depth etching (DRIE).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst einfach realisierbares Verfahren vorzuschlagen, mit dem ein optisches Element weitgehend unabhängig von dessen Beschaffenheit und auch für längere Wellenlängen möglichst effektiv entspiegelt werden kann, sowie eine Vorrichtung, mit der eine solche Entspiegelung vorgenommen werden kann. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend wirksam entspiegeltes optisches Element und insbesondere ein Terahertz-System mit einer dementsprechend verlustarmen Optik zur Führung von Terahertz-Strahlung vorzuschlagen.The present invention is based on the object of proposing a method that is as easy to implement as possible, with which an optical element can be antireflective as effectively as possible, largely regardless of its nature and also for longer wavelengths, as well as a device with which such antireflection can be carried out. The invention is also based on the object of proposing a correspondingly effectively anti-reflective optical element and in particular a terahertz system with a correspondingly low-loss optics for guiding terahertz radiation.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs, durch ein optisches Element gemäß Anspruch 10 und ein Terahertz-System mit den Merkmalen des Anspruchs 11.This object is achieved according to the invention by a method with the characterizing features of the main claim in conjunction with the features of the preamble of the main claim, by an optical element according to claim 10 and a terahertz system with the features of claim 11.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Entspiegeln einer Oberfläche eines optischen Elements sieht vor, dass die reflexionsmindernde Oberflächenstruktur mittels mindestens eines Laserstrahls erzeugt wird, der auf die Oberfläche gerichtet und über die Oberfläche geführt wird. Dabei kann der Laserstrahl auf oder über oder unter die Oberfläche des optischen Elements fokussiert werden, um dort einen Materialabtrag zu bewirken. Die Erzeugung der Oberflächenstruktur wird dabei typischerweise durch Ablation erfolgen, die der Laserstrahl verursacht. Denkbar wären aber auch andere Effekte, z.B. lokales Schmelzen durch vom Laserstrahl verursachte Wärmeeinwirkung. Unerheblich ist, ob der Laserstrahl dabei über die Oberfläche geführt wird, indem der Laserstrahl bewegt wird oder indem das optische Element bewegt wird oder indem sowohl der Laserstrahl als auch das optische Element bewegt werden. Erfindungsgemäß ist der Laserstrahl mit einer Pulsdauer von unter 20 ps gepulst. Das optische Element ist eine zur Strahlführung von Terahertz-Strahlung geeignete Linse.The method according to the invention for anti-reflecting a surface of an optical element provides that the reflection-reducing surface structure is generated by means of at least one laser beam which is directed onto the surface and guided over the surface. The laser beam can be focused on or above or below the surface of the optical element in order to create a To cause material removal. The surface structure is typically generated by ablation, which is caused by the laser beam. However, other effects would also be conceivable, for example local melting due to the action of heat caused by the laser beam. It is irrelevant whether the laser beam is guided over the surface by moving the laser beam or by moving the optical element or by moving both the laser beam and the optical element. According to the invention, the laser beam is pulsed with a pulse duration of less than 20 ps. The optical element is a lens suitable for guiding terahertz radiation.

Die vorgeschlagene Erzeugung der Oberflächenstruktur, die dabei durch ortsabhängig variierenden, also von Ort zu Ort unterschiedlich starken Materialabtrag zustande kommt, hat mehrere Vorteile. Zum einen können Eigenschaften der Oberflächenstruktur insbesondere für die reflexionsmindernde Wirkung relevante Parameter, in verhältnismäßig weiten Grenzen frei gewählt werden. Das gilt z.B. für eine Strukturtiefe oder eine Größenordnung von lateralen Periodenlängen oder Ausdehnungen anderer typischer lateraler Strukturmerkmale der Oberflächenstruktur und damit für Parameter, die ganz entscheidend dafür sind, bei welchen Wellenlängen die so geschaffene Oberflächenstruktur ihre entspiegelnde Wirkung entfaltet. So kann eine Reflektivität der Oberfläche mit dem vorgeschlagenen Verfahren insbesondere auch für Strahlung längerer Wellenlänge, beispielsweise für Terahertz-Strahlung (THz-Strahlung), effektiv reduziert werden. Darüber hinaus ist das Verfahren nicht nur vergleichsweise einfach realisierbar, sondern auch weitgehend unabhängig von einer Form der zu entspiegelnden Oberfläche und weitgehend unabhängig davon, aus welchem Material das optische Element oder eine Oberflächenschicht des optischen Elements gefertigt ist. Dabei ist es durch die vorgeschlagene Verwendung eines Laserstrahls insbesondere möglich, Strukturen mit sehr steilen Flanken zu realisieren. Dadurch kann die Oberflächenstruktur mit einem relativ großen Aspektverhältnis, also mit einem bei gegebener typischer lateraler Skala der Oberflächenstruktur verhältnismäßig großer Strukturtiefe, ausgeführt werden, was für eine möglichst starke Verminderung des Reflexionsgrads von Vorteil ist.The proposed generation of the surface structure, which is produced by material removal that varies depending on the location, that is to say differently from location to location, has several advantages. On the one hand, properties of the surface structure, in particular parameters relevant for the reflection-reducing effect, can be freely selected within relatively wide limits. This applies, for example, to a structure depth or an order of magnitude of lateral period lengths or extensions of other typical lateral structural features of the surface structure and thus for parameters that are very decisive for the wavelengths at which the surface structure created in this way develops its anti-reflective effect. A reflectivity of the surface can thus be effectively reduced with the proposed method, in particular for radiation of longer wavelengths, for example for terahertz radiation (THz radiation). In addition, the method is not only comparatively easy to implement, but also largely independent of a shape of the surface to be anti-reflective and largely independent of the material from which the optical element or a surface layer of the optical element is made. The proposed use of a laser beam makes it possible in particular to implement structures with very steep flanks. As a result, the surface structure can be designed with a relatively large aspect ratio, that is to say with a relatively large structure depth for a given typical lateral scale of the surface structure, which is advantageous for the greatest possible reduction in the degree of reflection.

Bei dem erfindungsgemäßen optischen Element, das eine Oberfläche aufweist, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Art entspiegelt ist, handelt es sich um eine Linse zur Strahlführung von Terahertz-Strahlung. Als Terahertz-Strahlung sei in der vorliegenden Schrift elektromagnetische Strahlung einer Frequenz von zwischen 0,1 THz und 10 THz oder einer Vakuumwellenlänge von zwischen 3 mm und 30 µm bezeichnet.The optical element according to the invention, which has a surface that is type anti-reflective with the method according to the invention, is a lens for guiding terahertz radiation. In the present document, terahertz radiation refers to electromagnetic radiation with a frequency of between 0.1 THz and 10 THz or a vacuum wavelength of between 3 mm and 30 μm.

So kann auch ein Terahertz-System (THz-System), das einen Terahertz-Sender zum Erzeugen von Terahertz‐Strahlung und/oder einen Terahertz-Empfänger zum Empfangen von Terahertz-Strahlung umfasst, durch die vorgeschlagenen Maßnahmen besonders effizient gestaltet werden, wenn es mindestens ein mit einem Verfahren hier beschriebener Art entspiegeltes optisches Element zur Führung der Terahertz-Strahlung aufweist. Bei diesem optischen Element kann es sich um einen Bestandteil des Terahertz-Senders und/oder einen Bestandteil des Terahertz-Empfängers oder auch um ein zusätzlich in einem Strahlengang des Terahertz-Systems vorgesehenes optisches Element handeln.Thus, a terahertz system (THz system), which includes a terahertz transmitter for generating terahertz radiation and / or a terahertz receiver for receiving terahertz radiation, can be made particularly efficient by the proposed measures if it has at least one anti-reflective optical element for guiding the terahertz radiation with a method described here. This optical element can be a component of the terahertz transmitter and / or a component of the terahertz receiver or also an optical element additionally provided in a beam path of the terahertz system.

Das optische Element wird typischerweise aus einem Material gebildet sein, dass in einem Wellenlängenbereich bzw. Frequenzbereich, für den das optische Element bestimmt ist, einen verhältnismäßig hohen Brechungsindex hat und eine möglichst geringe Absorption zeigt. Insbesondere für Anwendungen im Terahertzbereich (THz-Bereich) bietet sich dabei z.B. Silizium oder Saphir als Material zur Bildung des optischen Elements an. Es kann sich bei dem Material aber auch um einen Kunststoff oder ein Kunststoff-Mischerzeugnis handeln, insbesondere beispielsweise um HDPE, Zeonex, TPX oder Teflon.The optical element will typically be formed from a material that has a relatively high refractive index and the lowest possible absorption in a wavelength range or frequency range for which the optical element is intended. In particular for applications in the terahertz range (THz range), e.g. silicon or sapphire are suitable as a material for forming the optical element. However, the material can also be a plastic or a plastic mixed product, in particular, for example, HDPE, Zeonex, TPX or Teflon.

Die Oberflächenstruktur, bei der es sich um eine gegenüber üblichen Antireflexbeschichtungen vergleichsweise breitbandige Antireflexstruktur handelt, bildet eine Gradienten-Indexschicht mit steigendem Brechzahlverlauf, was einen abrupten Brechzahlwechsel verhindert. Dadurch werden Reflexionen minimiert, wodurch wiederum die Transmission erhöht wird.The surface structure, which is an anti-reflective structure that is comparatively broadband compared to conventional anti-reflective coatings, forms a gradient index layer with an increasing refractive index, which prevents an abrupt change in the refractive index. This minimizes reflections, which in turn increases transmission.

Das mit dem vorgeschlagenen Verfahren entspiegelte optische Element ist zur Strahlführung von Terahertz-Strahlung geeignet. Für diese Anwendung wird die reflexionsmindernde Oberflächenstruktur vorzugsweise so ausgeführt, dass sie eine Reflektivität der Oberfläche für Terahertz-Strahlung vermindert und dementspreched die Transmission erhöht, also die Qualität eines durch das optische Element geführten TH-Signals verbessert. Aufgrund der verhältnismäßig langen Wellenlängen ist es zweckmäßig, wenn die Oberflächenstruktur dafür mit einer Strukturtiefe von mindestens 80 µm, vorzugsweise sogar mit einer Strukturtiefe von 100 µm oder mehr, ausgeführt wird. Die Strukturtiefe kann dabei als Höhenunterschied zwischen höchsten Erhebungen und tiefsten Senken der Oberflächenstruktur definiert werden. In aller Regel wird die Strukturtiefe dabei aber nicht mehr als 300 µm oder 400 µm oder 500 µm betragen, weil das für eine wirksame Minderung des Reflexionsgrades für Terahertz-Strahlung nicht nötig ist und weil die Erzeugung der Oberflächenstruktur mit zunehmender Strukturtiefe natürlich schwieriger wird.The anti-reflective optical element with the proposed method is suitable for guiding terahertz radiation. For this application, the reflection-reducing surface structure is preferably designed in such a way that it reduces a reflectivity of the surface for terahertz radiation and accordingly increases the transmission, that is to say improves the quality of a TH signal passed through the optical element. Because of the relatively long wavelengths, it is expedient if the surface structure is designed with a structure depth of at least 80 μm, preferably even with a structure depth of 100 μm or more. The structure depth can be defined as the difference in height between the highest elevations and deepest depressions of the surface structure. As a rule, however, the structure depth will not be more than 300 µm or 400 µm or 500 µm, because this is not necessary for an effective reduction in the degree of reflection for terahertz radiation and because the creation of the surface structure naturally becomes more difficult with increasing structure depth.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Oberflächenstruktur als eine sogenannte Mottenaugenstruktur ausgeführt wird, die eine Vielzahl mikroskopischer Säulen umfasst. Durch solche Strukturen lässt sich besonders gut eine Oberflächenschicht realisieren, innerhalb der sich über eine verhältnismäßig große Tiefe ein effektiver Brechungsindex ergibt, der betragsmäßig zwischen dem Brechungsindex des das optische Element bildenden Materials und einem Brechungsindex eines umgebenden Mediums - typischerweise Luft - liegt. Im Hinblick auf einen nicht zu großen Brechungsindex-Gradienten ist es dabei besonders vorteilhaft, wenn die Säulen jeweils zumindest leicht kegelförmig sind. Der Begriff „Säule“ soll also in der vorliegenden Schrift insbesondere nicht auf exakt zylindrische Formen beschränkt sein. Vielmehr ist es für einen möglichst stetigen Brechungsindexverlauf günstig, wenn eine Dicke der Säulen nach oben hin abnimmt. Die Strukturtiefe entspricht im Fall einer Mottenaugenstruktur beschriebener Art einer Höhe der mikroskopischen Säulen.A particularly advantageous embodiment provides that the surface structure is designed as a so-called moth's eye structure, which comprises a large number of microscopic columns. Such structures are particularly effective in creating a surface layer within which an effective refractive index results over a relatively large depth, the amount of which is between the refractive index of the material forming the optical element and a refractive index of a surrounding medium - typically air. With regard to a refractive index gradient that is not too large, it is particularly advantageous if the columns are each at least slightly conical. The term “column” in the present document is therefore not intended to be restricted to exactly cylindrical shapes. Rather, it is favorable for a refractive index profile that is as constant as possible if the thickness of the columns decreases towards the top. In the case of a moth's eye structure of the type described, the structure depth corresponds to a height of the microscopic columns.

Für eine Anwendung im Bereich der Terahertz-Strahlung braucht ein Abstand unmittelbar benachbarter Säulen der Mottenaugenstruktur dabei jedenfalls nicht weniger als 6 µm betragen. Typischerweise lässt sich eine hinreichend feine Mottenaugenstruktur auch schon mit einem Abstand unmittelbar benachbarter Säulen der Mottenaugenstruktur von nicht weniger als 20 µm oder 10 µm realisieren. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn dieser Abstand höchstens 90 µm und vorzugsweise nicht mehr als 50 µm beträgt.For an application in the field of terahertz radiation, the distance between directly adjacent columns of the moth's eye structure must in any case not be less than 6 μm. Typically, a sufficiently fine moth-eye structure can also be realized with a distance between directly adjacent columns of the moth-eye structure of not less than 20 μm or 10 μm. However, it is advantageous if this distance is at most 90 μm and preferably not more than 50 μm.

Im Fall regelmäßig angeordneter Säulen definiert dieser Abstand eine Periode Λ der Oberflächenstruktur. Wie die Oberflächenstruktur für eine möglichst gute Entspiegelung auszuführen ist, ergibt sich aus einfachen physikalischen Zusammenhängen. Wenn λ die kleinste Wellenlänge im Spektrum der zu führenden THz-Strahlung ist, so erzielt man besonders gute Ergebnisse, wenn für die Periode A der Oberflächenstruktur Λ λ n s + s i n ( α )

Figure DE102014200742B4_0001
gilt, wobei ns die Brechzahl des für das optische Element verwendeten Materials oder Substrats ist und α den maximalen Einfallswinkel der THz-Strahlung beschreibt. Die Effektivität der als Antireflexstruktur dienenden Oberflächenstruktur hängt von der nachfolgend mit d bezeichneten Strukturtiefe ab, für die am besten d λ 4 n e f f
Figure DE102014200742B4_0002
gilt, wobei neff die effektive gemittelte Brechzahl in der durch die Oberflächenstruktur gebildeten Oberflächenschicht beschreibt. Diese hängt von einem sogenannten Füllfaktor ab, also davon, wie groß ein vom strukturierten Material des optischen Elements ausgefüllter Anteil eines Volumens dieser Schicht ist. Das wiederum hängt natürlich von der Strukturform der Oberflächenstruktur ab, also im Fall der Mottenaugenstruktur z.B. von einem mittleren Durchmesser der Säulen und der Periode Λ. Dabei gilt in grober Näherung neff = Füllfaktor × ns mit 0 < Füllfaktor < 1.In the case of regularly arranged columns, this distance defines a period Λ of the surface structure. How the surface structure should be designed for the best possible anti-reflective coating results from simple physical relationships. If λ is the smallest wavelength in the spectrum of the THz radiation to be carried, then particularly good results are achieved if for period A of the surface structure Λ λ n s + s i n ( α )
Figure DE102014200742B4_0001
applies, where n s is the refractive index of the material or substrate used for the optical element and α describes the maximum angle of incidence of the THz radiation. The effectiveness of the surface structure serving as an anti-reflective structure depends on the structure depth, designated below with d, for which the best d λ 4th n e f f
Figure DE102014200742B4_0002
applies, where n eff describes the effective average refractive index in the surface layer formed by the surface structure. This depends on a so-called fill factor, that is, on how large a portion of a volume of this layer is filled by the structured material of the optical element. This in turn depends of course on the structural shape of the surface structure, i.e. in the case of the moth's eye structure, for example, on an average diameter of the columns and the period Λ. As a rough approximation, n eff = fill factor × n s with 0 <fill factor <1.

Die mikroskopischen Säulen der Mottenaugenstruktur können gebildet werden, indem der mindestens eine Laserstrahl so über die Oberfläche geführt wird, dass die Säulen zwischen Bereichen stehen bleiben, in denen durch den Laserstrahl Material abgetragen wird. Dazu kann der mindestens eine Laserstrahl längs einer ersten Schar paralleler Bahnen und längs einer zweiten Schar paralleler Bahnen, die mit den Bahnen der ersten Schar einen nicht verschwindenden Winkel -vorzugsweise einen rechten Winkel - einschließen, über die Oberfläche geführt werden, und zwar typischerweise jeweils viele Male. So kann z.B. jede der genannten Bahnen über 100 mal mit dem Laserstrahl überfahren werden, um die Oberflächenstruktur fertigzustellen. Der Laserstrahl kann die Bahnen auch in statistischer oder quasi-statistischer Reihenfolge zeitlich gestaffelt abfahren. Dadurch können einzelne Bereiche des bearbeiteten optischen Elements zwischendurch abkühlen, was unerwünschtes Schmelzen zu vermeiden hilft. Ein durch den Laserstrahl tatsächlich abgefahrener Pfad muss auch keineswegs die genannten Bahnen jeweils vollständig abfahren, bevor eine nächste Bahn abgefahren wird. Vielmehr kann dieser Pfad in weiten Grenzen beliebig geführt werden und eine Vielzahl von Richtungsänderungen aufweisen. Auch können die Bahnen selbst gekrümmt sein und bei anderen Ausführungen auch abweichende Winkel einschließen, ohne notwendigerweise parallel zu jeweils anderen Bahnen zu verlaufen.The microscopic pillars of the moth's eye structure can be formed in that the at least one laser beam is guided over the surface in such a way that the pillars remain between areas in which material is removed by the laser beam. For this purpose, the at least one laser beam can be guided over the surface along a first set of parallel paths and along a second set of parallel paths that form a non-vanishing angle - preferably a right angle - with the paths of the first set, and typically many at a time Times. For example, each of the named paths can be run over 100 times with the laser beam in order to complete the surface structure. The laser beam can also travel along the paths in a statistical or quasi-statistical sequence, staggered over time. This allows individual areas of the processed optical element to cool down from time to time, which helps to avoid undesired melting. A path actually traversed by the laser beam does not have to completely traverse the named paths in each case before a next path is followed. Rather, this path can be guided as desired within wide limits and can have a large number of changes in direction. The tracks themselves can also be curved and, in other designs, also include different angles, without necessarily running parallel to the other tracks in each case.

Der zur Erzeugung der Oberflächenstruktur über die Oberfläche geführte Laserstrahl ist erfindungsgemäß mit einer Pulsdauer von unter 20 ps oder sogar unter 10 ps gepulst. Durch die Verwendung kurzer oder ultrakurzer Laserpulse kann nämlich sichergestellt werden, dass der Laserstrahl einen möglichst geringen thermischen Einfluss auf Bereiche, die eine vom Laserstrahl getroffene Stelle umgeben und in denen kein Material abgetragen werden soll. So lässt sich also besonders gut ein lokal eng begrenzter Energieeintrag in das Material der Oberfläche des optischen Elements und damit eine Oberflächenstruktur mit steilen Flanken und/oder lateral kleinen Abmessungen realisieren.According to the invention, the laser beam guided over the surface to generate the surface structure is pulsed with a pulse duration of less than 20 ps or even less than 10 ps. By using short or ultra-short laser pulses, it can be ensured that the laser beam has as little thermal influence as possible on areas that surround a point hit by the laser beam and in which no material is to be removed. In this way, a locally narrowly limited energy input into the material of the surface of the optical element and thus a surface structure with steep flanks and / or laterally small dimensions can be implemented particularly well.

Eine Wellenlänge des verwendeten Lasers kann z.B. in einem Bereich zwischen 500 nm und 1500 nm liegen. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen Ultrakurzpulslaser mit einer Repetitionsrate von beispielsweise zwischen 10 kHz und 100 kHz. Eine Pulsenergie der einzelnen Laserpulse kann z.B. zwischen 10 µJ und 50 µJ betragen. Ein Fokus des Laserstrahls, der entweder direkt auf der Oberfläche oder kurz darüber oder kurz darunter lokalisiert werden kann, sollte einen abhängig von der gewünschten Oberflächenstruktur geeignet gewählten Durchmesser haben, beispielsweise einen Durchmesser von zwischen 5 µm und 30 µm. Um zu erreichen, dass der Materialabtrag zwar hinreichend rasch, aber kontrolliert lokal begrenzt erfolgt, kann der Laserstrahl z.B. mit einer Geschwindigkeit von zwischen 100 mm/s und 300 mm/s über die Oberfläche geführt werden.A wavelength of the laser used can, for example, be in a range between 500 nm and 1500 nm. It is preferably an ultrashort pulse laser with a repetition rate of, for example, between 10 kHz and 100 kHz. A pulse energy of the individual laser pulses can be between 10 µJ and 50 µJ, for example. A focus of the laser beam, which can be localized either directly on the surface or just above or just below it, should have a diameter suitably selected depending on the desired surface structure, for example a diameter of between 5 μm and 30 μm. In order to ensure that the material is removed sufficiently quickly, but in a controlled, localized manner, the laser beam can be guided over the surface, for example, at a speed of between 100 mm / s and 300 mm / s.

Bei der Oberfläche kann es sich je nach Art des optischen Elements z.B. um eine sphärische Fläche oder eine rotationssymmetrische asphärische Fläche oder eine Freiformfläche handeln. Durch das vorgeschlagene Verfahren lässt sich die Oberflächenstruktur dabei problemlos weitgehend unabhängig von der Form der Oberfläche realisieren. Dabei sind insbesondere zwei besonders zweckmäßige Varianten denkbar. So kann der Laserstrahl z.B. jeweils senkrecht auf die Oberfläche gerichtet werden. Im Fall einer Mottenaugenstruktur hat das zur Folge, dass die so erzeugten mikroskopischen Säulen jeweils senkrecht auf der Oberfläche stehen. In einer anderen verhältnismäßig leicht realisierbaren Variante kann der Laserstrahl jeweils parallel zu einer definierten Achse des optischen Elements, beispielsweise parallel zu einer Symmetrieachse des optischen Elements, auf die Fläche gerichtet werden. Im typischen Fall einer Mottenaugenstruktur stehen die Säulen dann jeweils parallel zueinander und gegenüber einer Flächennormalen der Oberfläche stellenweise auch geneigt, was für die entspiegelnde Wirkung aber unschädlich ist.Depending on the type of optical element, the surface can be, for example, a spherical surface or a rotationally symmetrical aspherical surface or a freeform surface. With the proposed method, the surface structure can be implemented without any problems, largely independently of the shape of the surface. In particular, two particularly expedient variants are conceivable. For example, the laser beam can be directed perpendicular to the surface. In the case of a moth's eye structure, this means that the microscopic pillars created in this way are each perpendicular to the surface. In another variant that is relatively easy to implement, the laser beam can be directed onto the surface in each case parallel to a defined axis of the optical element, for example parallel to an axis of symmetry of the optical element. In the typical case of a moth's eye structure, the columns are then each parallel to one another and also inclined in places with respect to a surface normal to the surface, but this is not harmful to the anti-reflective effect.

Vorgeschlagen wird auch eine Vorrichtung, die sich in vorteilhafter Weise zum Entspiegeln einer Oberfläche eines optischen Elements mit einem Verfahren hier beschriebener Art eignet. Diese Vorrichtung, die selbst nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist, umfasst eine Halterung zum Halten des optischen Elements, mindestens eine Laserlichtquelle zum Bestrahlen der Oberfläche mit einem Laserstrahl und einen Antrieb zum Bewegen der Halterung und/oder der mindestens einen Laserlichtquelle und/oder eines den Laserstrahl führenden Strahlführungselements. Außerdem weist diese Vorrichtung eine Steuereinheit zum Ansteuern des Antriebs auf. Diese Steuereinheit ist durch eine entsprechende Programmierung eingerichtet, den Antrieb so anzusteuern, dass der Laserstrahl der mindestens einen Laserlichtquelle längs mehrerer Bahnen so über die Oberfläche geführt wird, dass zwischen den Bahnen Oberflächenbereiche verbleiben, die nicht mit dem Laserstrahl überstrichen werden.A device is also proposed which is advantageously suitable for anti-reflective coating of a surface of an optical element using a method of the type described here. This device, which itself is not part of the claimed invention, comprises a holder for holding the optical element, at least one laser light source for irradiating the surface with a laser beam and a drive for moving the holder and / or the at least one laser light source and / or one of the Beam guiding element guiding the laser beam. This device also has a control unit for controlling the drive. This control unit is set up by means of appropriate programming to control the drive in such a way that the laser beam of the at least one laser light source is guided along several paths over the surface in such a way that surface areas remain between the paths that are not swept over by the laser beam.

Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den Antrieb so anzusteuern, dass der Laserstrahl der mindestens einen Laserlichtquelle längs einer ersten Schar paralleler Bahnen und längs einer zweiten Schar paralleler Bahnen, die mit den Bahnen der ersten Schar einen nicht verschwindenden Winkel - vorzugsweise einen rechten Winkel - einschließen, über die Oberfläche geführt wird. So lassen sich mit der Vorrichtung die oben als besonders vorteilhaft beschriebenen Mottenaugenstrukturen erzeugen. Vorzugsweise ist die Steuereinheit dabei so programmiert, dass jede der Bahnen mehrfach, z.B. jeweils über 100 mal, mit dem Laserstrahl überfahren wird, beispielsweise jeweils mit einer Geschwindigkeit von zwischen 100 mm/s und 300 mm/s. Abhängig von der gewünschten Dimensionierung der zu erzeugenden Mottenaugenstruktur können die unmittelbar benachbarten Bahnen dabei z.B. mindestens 6 µm und/oder höchstens 90 µm seitlich versetzt nebeneinander verlaufen.In particular, the control unit can be set up to control the drive in such a way that the laser beam of the at least one laser light source runs along a first set of parallel paths and along a second set of parallel paths that form a non-vanishing angle - preferably a right angle - with the paths of the first set. include, is passed over the surface. The moth-eye structures described above as being particularly advantageous can thus be produced with the device. The control unit is preferably programmed in such a way that the laser beam traverses each of the paths multiple times, e.g. over 100 times each, for example at a speed of between 100 mm / s and 300 mm / s. Depending on the desired dimensioning of the moth's eye structure to be created, the directly adjacent tracks can run side by side offset at least 6 µm and / or at most 90 µm, for example.

Bei der mindestens einen Laserlichtquelle der Vorrichtung kann es sich um einen Pulslaser handeln, vorzugsweise um einen Ultrakurzpulslaser zur Erzeugung von Laserpulsen einer Pulsdauer von unter 20 ps und/oder einer Pulsenergie von zwischen 10 µJ und 50 µJ. Dabei kann der Laser eingerichtet sein, die Laserpulse z.B. mit einer Repetitionsrate von beispielsweise zwischen 10 kHz und 100 kHz zu erzeugen. Seine Wellenlänge kann z.B. in einem Bereich zwischen 500 nm und 1500 nm liegen. Ein Fokus des mit diesem Laser erzeugbaren Laserstrahls kann beispielsweise einen Durchmesser von zwischen 5 µm und 30 µm haben.The at least one laser light source of the device can be a pulse laser, preferably an ultrashort pulse laser for generating laser pulses with a pulse duration of less than 20 ps and / or a pulse energy of between 10 μJ and 50 μJ. The laser can be set up to generate the laser pulses, for example, with a repetition rate of, for example, between 10 kHz and 100 kHz. Its wavelength can, for example, be in a range between 500 nm and 1500 nm. A focus of the laser beam that can be generated with this laser can, for example, have a diameter of between 5 μm and 30 μm.

Bevorzugte Anwendungsgebiete für die hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind die Fertigung optischer Komponenten für den THz-Bereich sowie deren Design. Jedes THz-System benötigt Optiken zur Strahlführung. Bislang kamen dafür häufig Spiegeloptiken zum Einsatz, da die THz-Strahlung von den meisten Materialien absorbiert wird. Linsen und andere refraktive optische Elemente aus Silizium oder anderen hochbrechenden Materialien haben dagegen bisher aufgrund der hohen Verluste insbesondere durch Reflexionen an Grenzschichten im THz-Bereich wenig Einsatz gefunden. Durch die Entspiegelung dieser Materialien in der hier vorgeschlagenen Weise kann das Optikdesign von THz-Systemen deutlich verbessert werden, weil dadurch auch Linsen und andere refraktive oder beugende Optiken ohne zu große Intensitätsverluste verwendet werden können. Auch zeitaufgelöste Messungen insbesondere von THz-Pulsen werden dadurch erleichtert, dass Reflexionen vermieden werden, die andernfalls zusätzliche Pulse in einem detektierten Signal verursachen.Preferred areas of application for the methods and devices described here are the manufacture of optical components for the THz range and their design. Every THz system requires optics for beam guidance. Up to now, mirror optics have often been used for this, as the THz radiation is absorbed by most materials. Lenses and other refractive optical elements made of silicon or other highly refractive materials, on the other hand, have so far found little use due to the high losses, in particular due to reflections at boundary layers in the THz range. The anti-reflective coating of these materials in the manner proposed here can significantly improve the optical design of THz systems, because it allows lenses and other refractive or diffractive optics to be used without too great a loss of intensity. Time-resolved measurements, in particular of THz pulses, are also made easier by avoiding reflections that would otherwise cause additional pulses in a detected signal.

Die hier vorgestellte Vorrichtung sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 bis 7 beschrieben. Es zeigt

  • 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Entspiegeln eines optischen Elements,
  • 2 in entsprechender Darstellung eine alternative Ausführung einer solchen Vorrichtung,
  • 3 einen Querschnitt durch eine Oberfläche eines durch ein entsprechendes Verfahren mit einer derartigen Vorrichtung entspiegelten optischen Elements,
  • 4 eine Aufsicht auf die so entspiegelte Oberfläche aus 3,
  • 5 einen Querschnitt durch eine in entsprechender Weise entspiegelte Terahertz-Linse,
  • 6 in einer der 5 entsprechenden Darstellung einen Querschnitt durch eine mit einer geringfügigen Abwandlung des Verfahrens entspiegelte Terahertz-Linse und
  • 7 in schematischer Darstellung ein Terahertz-System, das mit entsprechend entspiegelten Terahertz-Linsen ausgestattet ist.
The device presented here as well as exemplary embodiments of the invention are described below with reference to FIG 1 until 7th described. It shows
  • 1 a schematic view of a device for anti-reflective coating of an optical element,
  • 2 a corresponding representation of an alternative embodiment of such a device,
  • 3 a cross section through a surface of an anti-reflective optical element using a corresponding method with such a device,
  • 4th a plan view of the anti-reflective surface 3 ,
  • 5 a cross section through a correspondingly anti-reflective terahertz lens,
  • 6th in one of the 5 corresponding illustration shows a cross section through a terahertz lens with an anti-reflective coating with a slight modification of the method and FIG
  • 7th a schematic representation of a terahertz system that is equipped with appropriately anti-reflective terahertz lenses.

1 zeigt eine Vorrichtung, die sich zum Entspiegeln einer Oberfläche 1 eines dort ebenfalls dargestellten optischen Elements 2 eignet. Diese Vorrichtung umfasst eine Halterung 3 zum Halten das optische Elements 2, sowie eine Laserlichtquelle 4 zum Bestrahlen der Oberfläche 1 mit einem Laserstrahl 5. Außerdem weist die Vorrichtung einen Antrieb 6 zum Bewegen der Halterung 3 auf. Schließlich umfasst die Vorrichtung auch eine Steuereinheit 7 zum Ansteuern des Antriebs 6. Diese Steuereinheit 7 ist durch eine entsprechende Programmierung eingerichtet, den Antrieb 6 so anzusteuern, dass der Laserstrahl 5 längs mehrerer Bahnen so über die Oberfläche 1 geführt wird, dass zwischen den so überfahrenen Bahnen Oberflächenbereiche verbleiben, die nicht mit dem Laserstrahl 5 überstrichen werden. Dazu kann die Halterung 3 durch den Antrieb 6 sowohl um eine Symmetrieachse des optischen Elements 2 gedreht als auch in ein oder zwei Richtungen horizontal verschoben werden, was in 1 durch Pfeile veranschaulicht ist. Der Antrieb 6 kann auch so ausgeführt sein, dass der Antrieb 6 die Halterung 3 und damit das optische Element 2 in einer Weise verkippt, die in 1 durch einen gekrümmten Doppelpfeil veranschaulicht ist. Dann kann der Laserstrahl 5 z.B. so über die Oberfläche 1 gefahren werden, dass er immer senkrecht auf die Oberfläche 1 strahlt. 1 shows a device which can be used for anti-reflective coating of a surface 1 an optical element also shown there 2 suitable. This device comprises a holder 3 to hold the optical element 2 , as well as a laser light source 4th for irradiating the surface 1 with a laser beam 5 . The device also has a drive 6th to move the bracket 3 on. Finally, the device also comprises a control unit 7th to control the drive 6th . This control unit 7th is set up by appropriate programming, the drive 6th so control that the laser beam 5 along several tracks so across the surface 1 is guided so that surface areas remain between the paths traveled over, which are not exposed to the laser beam 5 be painted over. The bracket 3 through the drive 6th both around an axis of symmetry of the optical element 2 rotated as well as horizontally shifted in one or two directions, which is in 1 illustrated by arrows. The drive 6th can also be designed so that the drive 6th the bracket 3 and thus the optical element 2 tipped in a way that is in 1 is illustrated by a curved double arrow. Then the laser beam can 5 eg so about the surface 1 be driven so that it is always perpendicular to the surface 1 shine.

Bei der Laserlichtquelle 4 handelt es sich um einen Ultrakurzpulslaser einer Wellenlänge von 1030 nm, der mit einer Repetitionsrate von 40 kHz Laserpulse einer Pulsdauer von 8 ps und einer Pulsenergie von 20 µJ bis 24 µJ erzeugt. Ein auf oder kurz über oder kurz unter der Oberfläche 1 liegender Fokus des Laserstrahls 5 hat dabei einer Größe von etwa 20 µm. Natürlich sind andere Ausführungen der Vorrichtung möglich, bei denen die Laserlichtquelle 4 andere Parameter hat. Der Antrieb 6 kann z.B. so angesteuert werden, dass der Laserstrahl 5 die genannten Bahnen wiederholt überfährt, z.B. 300 mal, wobei der Laserstrahl 5 die Oberfläche 1 beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 200 mm/s überstreichen kann. Auch diese Parameter können natürlich anders gewählt werden. Auch ist es denkbar, dass anstelle der einzelnen Laserlichtquelle 4 mehrere Laserlichtquellen vorgesehen sind, so dass die Oberfläche 1 gleichzeitig von mehreren Laserstrahlen überfahren wird, die dann z.B. gleichzeitig verschiedene parallele Bahnen auf der Oberfläche 1 abfahren können.At the laser light source 4th It is an ultrashort pulse laser with a wavelength of 1030 nm, which generates laser pulses with a pulse duration of 8 ps and a pulse energy of 20 µJ to 24 µJ with a repetition rate of 40 kHz. One on or just above or just below the surface 1 lying focus of the laser beam 5 has a size of about 20 µm. Of course, other designs of the device are possible in which the laser light source 4th has other parameters. The drive 6th can for example be controlled in such a way that the laser beam 5 repeatedly traverses the said tracks, for example 300 times, with the laser beam 5 the surface 1 for example, can sweep at a speed of 200 mm / s. Of course, these parameters can also be selected differently. It is also conceivable that instead of the individual laser light source 4th multiple laser light sources are provided so that the surface 1 is crossed by several laser beams at the same time, which then, for example, different parallel paths on the surface at the same time 1 can leave.

In 2 ist eine Abwandlung der Vorrichtung aus 1 gezeigt. Wiederkehrende Merkmale sind hier und in den folgenden Figuren jeweils wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen und müssen nicht mehr eigens beschrieben werden. Von der Vorrichtung aus 1 unterscheidet sich die in 2 gezeigte Vorrichtung nur dadurch, dass ein weiterer Antrieb 6' zum Bewegen der Laserlichtquelle 4 vorgesehen ist. Stattdessen kann der Antrieb 6' auch so ausgeführt sein, dass er statt der ganzen Laserlichtquelle 4 nur ein den Laserstrahl 5 führendes Strahlführungselement bewegt, um den Laserstrahl 5 über die Oberfläche 1 zu führen.In 2 is a modification of the device from 1 shown. Recurring features are again provided here and in the following figures with the same reference numerals and no longer have to be specifically described. From the device 1 differs in 2 device shown only by having another drive 6 ' for moving the laser light source 4th is provided. Instead, the drive can 6 ' also be designed so that he instead of the whole laser light source 4th just one the laser beam 5 leading beam guiding element moves to the laser beam 5 across the surface 1 respectively.

Durch den Antrieb 6' kann die Laserlichtquelle 4 horizontal in einer in 2 mit x bezeichneten Richtung und unter Umständen auch vertikal in einer Richtung, die dort mit z bezeichnet ist, bewegt werden. Wenn der Antrieb 6', was ebenfalls möglich ist, so ausgeführt ist, dass er die Laserlichtquelle 4 auch in einer zur Richtung x senkrechten horizontalen Richtung bewegen kann, kann der Antrieb 6 der Halterung 3 auch weggelassen werden. Der Antrieb 6' kann auch so ausgeführt sein, dass er die Laserlichtquelle 4 in einer Weise verkippt, die in 2 durch einen gekrümmten Doppelpfeil veranschaulicht ist. Auch dadurch kann der Laserstrahl 5 z.B. so über die Oberfläche 1 gefahren werden, dass er immer senkrecht auf die Oberfläche 1 strahlt. Wie der Antrieb 6, so wird auch der Antrieb 6' so durch die entsprechend programmierte Steuereinheit 7 angesteuert, dass der Laserstrahl 5 längs mehrerer Bahnen so über die Oberfläche 1 geführt wird, dass zwischen den so überfahrenen Bahnen Oberflächenbereiche verbleiben, die nicht mit dem Laserstrahl 5 überstrichen werden.Through the drive 6 ' can use the laser light source 4th horizontally in an in 2 with the direction designated x and possibly also vertically in a direction designated there with z. When the drive 6 ' what is also possible is designed so that it is the laser light source 4th can also move in a horizontal direction perpendicular to the x direction, the drive 6th the bracket 3 can also be omitted. The drive 6 ' can also be designed so that it is the laser light source 4th tipped in a way that is in 2 is illustrated by a curved double arrow. This also allows the laser beam 5 eg so about the surface 1 be driven so that it is always perpendicular to the surface 1 shine. Like the drive 6th so will the drive too 6 ' so by the appropriately programmed control unit 7th controlled that the laser beam 5 along several tracks so across the surface 1 is guided so that surface areas remain between the paths traveled over, which are not exposed to the laser beam 5 be painted over.

Bei dem optischen Element 2 handelt es sich beim vorliegenden Ausführungsbeispiel um eine THz-Linse, also um eine zur Führung von Terahertz-Strahlung geeignete Linse, die mit der beschriebenen Vorrichtung entspiegelt wird, indem die Oberfläche mit einer reflexionsmindernden Oberflächenstruktur versehen wird, die eine Reflektivität der Oberfläche 1 insbesondere für Terahertz-Strahlung vermindert. Dabei wird die Oberflächenstruktur durch Ablation mittels des Laserstrahls 5 erzeugt, der dazu auf die Oberfläche 1 gerichtet und durch den Antrieb 6 und/oder 6' über die Oberfläche 1 geführt wird.In the case of the optical element 2 In the present exemplary embodiment, it is a THz lens, that is to say a lens suitable for guiding terahertz radiation, which is anti-reflective with the described device by providing the surface with a reflection-reducing surface structure which makes the surface reflectivity 1 especially for terahertz radiation. The surface structure is created by ablation by means of the laser beam 5 generated to do this on the surface 1 directed and by the drive 6th and or 6 ' across the surface 1 to be led.

Ein Querschnitt der so erzeugten Oberflächenstruktur ist in 3 gezeigt. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Mottenaugenstruktur, die eine Vielzahl mikroskopischer Säulen 8 umfasst. Eine Aufsicht auf diese Oberflächenstruktur ist in 4 zu sehen. Dort ist zu erkennen, dass die Säulen 8 ein periodisches Raster oder eine Gitterstruktur mit einer Periode Λ bilden, die beispielsweise 30 µm betragen kann. Dabei hat die Oberflächenstruktur eine der Höhe der Säulen 8 entsprechende Strukturtiefe d von zwischen 100 µm und 260 µm. So ergibt sich eine breitbandigen Entspiegelung insbesondere für elektromagnetische Strahlung mit Frequenzen von 0,14 THz bis 1,5 THz.A cross section of the surface structure produced in this way is shown in 3 shown. This is a so-called moth's eye structure, which has a large number of microscopic pillars 8th includes. A plan view of this surface structure is in 4th to see. There you can see that the pillars 8th form a periodic grid or a grid structure with a period Λ, which can be, for example, 30 µm. The surface structure has the same height as the columns 8th corresponding structure depth d of between 100 µm and 260 µm. This results in a broadband anti-reflection coating, in particular for electromagnetic radiation with frequencies from 0.14 THz to 1.5 THz.

Die mikroskopischen Säulen 8 werden gebildet, indem der ultrakurz gepulste Laserstrahl 5 so über die Oberfläche 1 geführt wird, dass die Säulen 8 zwischen Bereichen stehen bleiben, in denen durch den Laserstrahl 5 Material abgetragen wird. Dazu wird der Laserstrahl 5 wiederholt - beispielsweise 300 mal - längs der schon erwähnten Bahnen über die Oberfläche geführt, und zwar längs einer ersten Schar paralleler Bahnen und längs einer zweiten Schar paralleler Bahnen, die mit den Bahnen der ersten Schar einen rechten Winkel einschließen. Dabei verlaufen die Bahnen der ersten Schar in der in 4 mit x bezeichneten Richtung und die Bahnen der zweiten Schar in der Richtung, die in 4 mit y bezeichnet ist. Die Säulen 8 bleiben dadurch genau zwischen den Bahnen beider Scharen stehen, die jeweils in einem Abstand von im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweis etwa 30 µm nebeneinander verlaufen.The microscopic pillars 8th are formed by the ultra-short pulsed laser beam 5 so about the surface 1 that is led to the pillars 8th stop between areas where by the laser beam 5 Material is removed. This is done using the laser beam 5 repeatedly - for example 300 times - along the already mentioned tracks over the surface, namely along a first set of parallel tracks and along a second set of parallel tracks that form a right angle with the tracks of the first set. The paths of the first set run in the in 4th with x and the trajectories of the second family in the direction indicated in 4th is denoted by y. The columns 8th thus remain exactly between the tracks of the two groups, which each run at a distance of, for example, about 30 μm next to one another in the present exemplary embodiment.

In 5 ist schematisch ein Querschnitt durch das so entspiegelte optische Element 2 gezeigt. Das optische Element 2 kann z.B. aus Silizium, das im THz-Bereich einen Brechungsindex von etwa 3,4 hat, oder aus Saphir oder aus einem Kunststoff mit einem insbesondere im THz-Bereich hohen Brechungsindex gebildet sein. Unter Umständen kann das optische Element 2 direkt aus einem Wafer-Stück aus Silizium gebildet sein und z.B. in dessen Oberfläche eingearbeitet sein. Die Oberfläche 1 kann insbesondere eine sphärische Fläche oder eine rotationssymmetrische asphärische Fläche oder eine Freiformfläche sein. Die mikroskopischen Säulen 8 stehen in diesem Ausführungsbeispiel jeweils senkrecht auf der Oberfläche 1. Das wird erreicht, indem der Laserstrahl 5 beim Entspiegeln durch eine entsprechende Bewegung des optischen Elements 2 bzw. der Laserlichtquelle 4 jeweils senkrecht auf die Oberfläche 1 gerichtet wird. Selbstverständlich können auch andere Linsen oder optische Flächen in ähnlicher Weise entspiegelt werden.In 5 is a schematic cross section through the anti-reflective optical element 2 shown. The optical element 2 can for example be made of silicon, which has a refractive index of about 3.4 in the THz range, or of sapphire or a plastic with a particularly high refractive index in the THz range. Under certain circumstances, the optical element 2 be formed directly from a wafer piece made of silicon and, for example, be incorporated into its surface. The surface 1 can in particular be a spherical surface or a rotationally symmetrical aspherical surface or a free-form surface. The microscopic pillars 8th in this embodiment are each perpendicular to the surface 1 . That is achieved by using the laser beam 5 when anti-reflective by a corresponding movement of the optical element 2 or the laser light source 4th each perpendicular to the surface 1 is judged. Of course, other lenses or optical surfaces can also be anti-reflective in a similar way.

Die 6 zeigt in einer entsprechenden Darstellung eine geringfügig andere Ausführung des optischen Elements 2, das sich von dem Ausführungsbeispiel aus 5 nur dadurch unterscheidet, dass die mikroskopischen Säulen 8 alle jeweils parallel zu einer Symmetrieachse 9 des optischen Elements 2 stehen. Das kommt dadurch zustande, dass der Laserstrahl 5 in diesem Fall jeweils parallel zur Symmetrieachse 9 des optischen Elements 2 auf die Oberfläche 1 gerichtet wird, wenn das optische Element 2 - auch in diesem Fall eine THz-Linse - in beschriebener Weise entspiegelt wird. Dabei wird die Oberfläche 1 in verschiedene konzentrische kreisförmige Streifen eingeteilt, die jeweils mit einer für den jeweiligen Streifen optimierten Fokuslage des Laserstrahls 5 bearbeitet werden, so dass die Oberflächenstruktur einer Terrassenform erhält, was in 5 angedeutet ist. Wegen der Form der Oberfläche 1 wird die Oberflächenstruktur in diesem Fall in den meisten Bereichen bei einem schrägen Einfall des Laserlichts erzeugt, wobei die Entspiegelungswirkung trotzdem erhalten bleibt.the 6th shows a slightly different embodiment of the optical element in a corresponding representation 2 that differs from the embodiment 5 differs only in that the microscopic pillars 8th all parallel to an axis of symmetry 9 of the optical element 2 stand. This is because the laser beam 5 in this case each parallel to the axis of symmetry 9 of the optical element 2 on the surface 1 is directed when the optical element 2 - also in this case a THz lens - is anti-reflective in the manner described. This is the surface 1 divided into different concentric circular stripes, each with a focus position of the laser beam optimized for the respective stripe 5 can be edited so that the surface structure of a terrace shape is what is shown in 5 is indicated. Because of the shape of the surface 1 In this case, the surface structure is created in most areas with an oblique incidence of the laser light, whereby the anti-reflective effect is nevertheless retained.

In 7 ist ein THz-System gezeigt, das einen Terahertz-Sender 10 zum Erzeugen von Terahertz-Strahlung und einen Terahertz-Empfänger 11 zum Empfangen der Terahertz-Strahlung aufweist. Sowohl der Terahertz-Sender 10 als auch der Terahertz-Empfänger 11 weisen zum Aus- bzw. Einkoppeln der Terahertz-Strahlung jeweils ein optisches Element 2 auf, das eine in beschriebener Weise mit einer Mottenaugenstruktur versehene Oberfläche 1 hat. Bei den optischen Elementen 2 handelt es sich um THz-Linsen, die aus Silizium gebildet sein können und zum Ein- bzw. Auskoppeln der Strahlung auf dem Detektor bzw. Emitter angeordnet sind.In 7th a THz system is shown that uses a terahertz transmitter 10 for generating terahertz radiation and a terahertz receiver 11 for receiving the terahertz radiation. Both the terahertz transmitter 10 as well as the terahertz receiver 11 each have an optical element for coupling out and coupling in the terahertz radiation 2 on, the one provided in the manner described with a moth's eye structure surface 1 Has. With the optical elements 2 These are THz lenses that can be made of silicon and are arranged on the detector or emitter to couple the radiation in and out.

Mit dem THz-System kann eine zwischen dem Terahertz-Sender 10 und dem Terahertz-Empfänger 11 angeordnete Probe 12 untersucht werden. Zusätzlich kann eine weitere Linse 13 zur Strahlführung der Terahertz-Strahlung vorgesehen sein, die natürlich in gleicher Weise entspiegelt sein kann.With the THz system one can switch between the terahertz transmitter 10 and the terahertz receiver 11 arranged sample 12th to be examined. In addition, another lens 13th be provided for beam guidance of the terahertz radiation, which can of course be anti-reflective in the same way.

Mit den hier vorgeschlagenen Maßnahmen ergibt sich ein flexibel einsetzbares System und Bearbeitungsverfahren zur Entspiegelung von optischen Elementen 2, nicht nur, aber insbesondere für den THz-Bereich. Dazu werden Strukturen vorzugsweise mit einem Ultrakurzpuls-Laser (typische Pulsdauer kleiner ca. 10 ps) in die Oberfläche 1 des zu entspiegelnden Materials eingebracht. Der Laser wird auf, über oder unter die Oberfläche 1 des optischen Elements 2 fokussiert und führt dort zu einem Materialabtrag. Wird der Laser nun mit definierten Parametern über die Oberfläche 1 geführt, können in weiten Grenzen beliebige Strukturgeometrien realisiert werden. Die Strukturtiefe d wird im Wesentlichen von den Laser- und Prozessparametern bestimmt und kann durch mehrfache Wiederholung vergrößert werden. Es können somit spezielle Strukturen, ähnlich denen von Mottenaugen, generiert werden, welche für langwellige Strahlung entspiegelnd wirken. Die minimale thermische Einflusszone auf das umgebende, nicht abzutragende Material bei Einsatz von ultrakurzen Laserpulsen zum Materialabtrag erlaubt - verglichen mit längeren Laserpulsen, z.B. im Nanosekunden-Bereich - die Ausformung vergleichsweise feiner Strukturen mit den benötigten Geometrieparametern. Die lokale Adaption der Position des Laserfokus an die Oberfläche 1 des optischen Elementes 2 während des Bearbeitungsvorgangs ermöglicht zudem die Erzeugung von Entspiegelungsstrukturen auf sphärischen, asphärischen und Freiform-Elementen, selbst wenn diese eine sehr starke Krümmung der Oberfläche 1 aufweisen.The measures proposed here result in a system and processing method that can be used flexibly for anti-reflective coating of optical elements 2 , not only, but especially for the THz range. For this purpose, structures are preferably inserted into the surface with an ultra-short pulse laser (typical pulse duration less than approx. 10 ps) 1 of the material to be coated. The laser is on, above or below the surface 1 of the optical element 2 focuses and leads to material removal there. If the laser is now over the surface with defined parameters 1 guided, any structural geometries can be realized within wide limits. The structure depth d is essentially determined by the laser and process parameters and can be increased by repeating it several times. Special structures, similar to those of moth's eyes, can thus be generated, which have an anti-reflective effect for long-wave radiation. The minimal thermal influence zone on the surrounding material that is not to be ablated when using ultrashort laser pulses for material ablation allows - compared to longer laser pulses, for example in the nanosecond range - the formation of comparatively fine structures with the required geometry parameters. The local adaptation of the position of the laser focus to the surface 1 of the optical element 2 During the machining process, it also enables the creation of anti-reflective structures on spherical, aspherical and free-form elements, even if these have a very strong curvature of the surface 1 exhibit.

Der Laserstrahl 2 wird mit einem Scanner plus Steuersoftware über die Oberfläche 1 geführt. Die Oberflächenstruktur wird dabei so ausgeführt, dass sich der Füllfaktor von Luft zum Material des optischen Elements 2 stetig zunehmend ändert und sich z.B. eine kegelförmige Mottenaugenstruktur ausbildet, wie es in 3 angedeutet ist.The laser beam 2 is done with a scanner plus control software over the surface 1 guided. The surface structure is designed in such a way that the fill factor is from air to the material of the optical element 2 is constantly changing and, for example, a conical moth-eye structure is formed, as shown in 3 is indicated.

Das System kann um eine Mehrdimensionalität erweitert werden, damit stark gekrümmte Oberflächen bearbeitet werden können. Zusätzlich kann eine ansteuerbare Fokus-Optik für das beschriebene Verfahren zur Entspiegelung vorteilhaft sein.The system can be extended by a multi-dimensionality so that strongly curved surfaces can be processed. In addition, controllable focus optics can be advantageous for the described method for antireflection coating.

Die Halterung 3 des optischen Elements 2 kann sich z.B. durch Hardware und Softwaresteuerung zum Laserstrahl 5 rotierend bewegen. Aus Kenntnis der Oberflächendimension - z.B. aus 3D-Daten oder durch optische Abtastung gewonnen - wird entweder die Oberfläche 1 zum Laserstrahl 4 und/oder die Oberfläche 1 um ihre eigene Halterungsachse rotiert. Weiterhin kann das optische Element 2 unter Umständen translatorisch in Richtung aller Achsen (x, y, z) bewegt werden.The bracket 3 of the optical element 2 can be converted to the laser beam through hardware and software control, for example 5 move in rotation. From knowledge of the surface dimension - for example obtained from 3D data or by optical scanning - either the surface is obtained 1 to the laser beam 4th and / or the surface 1 rotates around its own mounting axis. Furthermore, the optical element 2 may be moved translationally in the direction of all axes (x, y, z).

Das optische Element 2 kann sich bei der Entspiegelung auch in einer festen Halterung befinden, wenn der Laserstrahl 5 mit dem System durch Hardware und Softwaresteuerung über die Geometrie der Probe rotierend und/oder translatorisch in Richtung aller Achsen (x, y, z) bewegt wird.The optical element 2 can also be in a fixed holder for the anti-reflective coating when the laser beam 5 is moved with the system by hardware and software control over the geometry of the sample in a rotating and / or translatory manner in the direction of all axes (x, y, z).

Schließlich ist auch eine Kombination möglich, bei der sowohl das optische Element 2 als auch der Laserstrahl 5 bewegt wird.Finally, a combination is also possible in which both the optical element 2 as well as the laser beam 5 is moved.

Ein wichtiger Vorteil ist die flexible, vergleichsweise schnelle und berührungslose Fertigung breitbandiger THz-Antireflexstrukturen auf sphärischen, asphärischen oder Freiformflächen optischer Elemente. Durch die Variation der Laserparameter ist die Flexibilität der Bandbreite gegeben. Die Entspiegelung definierter Frequenzbereiche kann auf diese Weise realisiert werden. Insbesondere ist eine breitbandige Entspiegelung über große Frequenzbereiche möglich. Durch die mehrachsige Führung der Laserstrahlung und/oder des bearbeiteten optischen Elements können weitgehend beliebige Oberflächen optischer Elemente strukturiert werden. Es gibt dabei keinen Werkzeugverschleiß und/oder berührenden Kontakt zum Werkstück, welches die Beschaffenheit des optischen Elementes negativ beeinflussen könnte.An important advantage is the flexible, comparatively fast and contactless production of broadband THz anti-reflective structures on spherical, aspherical or freeform surfaces of optical elements. The flexibility of the bandwidth is given by the variation of the laser parameters. The anti-reflective coating of defined frequency ranges can be implemented in this way. In particular, broadband anti-reflective coating is possible over large frequency ranges. Due to the multi-axis guidance of the laser radiation and / or the processed optical element, largely any surfaces of optical elements can be structured. There is no tool wear and / or touching contact with the workpiece, which could negatively affect the quality of the optical element.

Claims (12)

Verfahren zum Entspiegeln einer Oberfläche (1) eines optischen Elements (2), bei dem die Oberfläche (1) mit einer reflexionsmindernden Oberflächenstruktur versehen wird, wobei die Oberflächenstruktur mittels mindestens eines Laserstrahls (5) erzeugt wird, der auf die Oberfläche (1) gerichtet und über die Oberfläche (1) geführt wird dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) mit einer Pulsdauer von unter 20 ps gepulst ist und wobei das optische Element (2) eine zur Strahlführung von Terahertz-Strahlung geeignete Linse ist.A method for anti-reflective coating of a surface (1) of an optical element (2), in which the surface (1) is provided with a reflection-reducing surface structure, the surface structure being generated by means of at least one laser beam (5) directed onto the surface (1) and guided over the surface (1), characterized in that the laser beam (5) is pulsed with a pulse duration of less than 20 ps and the optical element (2) is a lens suitable for beam guidance of terahertz radiation. Verfahren nach Anspruche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reflexionsmindernde Oberflächenstruktur eine Reflektivität der Oberfläche (1) für Terahertz-Strahlung vermindert.Procedure according to Claims 1 , characterized in that the reflection-reducing surface structure reduces a reflectivity of the surface (1) for terahertz radiation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur mit einer Strukturtiefe (d) von mindestens 80 µm und/oder mit einer Strukturtiefe (d) von höchstens 500 µm ausgeführt wird.Method according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the surface structure is designed with a structure depth (d) of at least 80 µm and / or with a structure depth (d) of at most 500 µm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur als eine Vielzahl mikroskopischer Säulen (8) umfassende Mottenaugenstruktur ausgeführt wird.Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the surface structure is designed as a moth-eye structure comprising a multiplicity of microscopic columns (8). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur so ausgeführt wird, dass ein Abstand unmittelbar benachbarter Säulen mindestens 6 µm und/oder höchstens 90 µm beträgt.Procedure according to Claim 4 , characterized in that the surface structure is designed so that a distance between directly adjacent columns is at least 6 µm and / or at most 90 µm. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroskopischen Säulen (8) gebildet werden, indem der mindestens eine Laserstrahl (5) so über die Oberfläche (1) geführt wird, dass die Säulen (8) zwischen Bereichen stehen bleiben, in denen durch den Laserstrahl (5) Material abgetragen wird.Method according to one of the Claims 4 or 5 , characterized in that the microscopic columns (8) are formed in that the at least one laser beam (5) is guided over the surface (1) in such a way that the columns (8) remain between areas in which the laser beam (5 ) Material is removed. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Laserstrahl (5) dazu längs einer ersten Schar paralleler Bahnen und längs einer zweiten Schar paralleler Bahnen, die mit den Bahnen der ersten Schar einen nicht verschwindenden Winkel einschließen, über die Oberfläche (1) geführt wird.Procedure according to Claim 6 , characterized in that the at least one laser beam (5) for this purpose along a first set of parallel tracks and along a second set of parallel tracks which enclose a non-vanishing angle with the tracks of the first set over the surface (1). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (2) aus Silizium gebildet ist.Method according to one of the Claims 1 until 7th , characterized in that the optical element (2) is formed from silicon. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (1) eine sphärische Fläche oder eine rotationssymmetrische asphärische Fläche oder eine Freiformfläche ist, wobei der Laserstrahl (5) jeweils senkrecht oder jeweils parallel zu einer definierten Achse des optischen Elements (2) auf die Oberfläche (1) gerichtet wird.Method according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the surface (1) is a spherical surface or a rotationally symmetrical aspherical surface or a free-form surface, the laser beam (5) in each case perpendicular or in each case parallel to a defined axis of the optical element (2) on the surface (1) is judged. Optisches Element (2) zur Strahlführung von Terahertz-Strahlung, das eine mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 entspiegelte Oberfläche (1) aufweist, wobei das optische Element (2) eine zur Strahlführung von Terahertz-Strahlung geeignete Linse ist.Optical element (2) for guiding terahertz radiation, the one with a method according to one of the Claims 1 until 9 having an anti-reflective surface (1), the optical element (2) being a lens suitable for beam guidance of terahertz radiation. Terahertz-System, umfassend einen Terahertz-Sender (10) zum Erzeugen von Terahertz-Strahlung und/oder einen Terahertz-Empfänger (11) zum Empfangen von Terahertz-Strahlung, wobei das Terahertz-System mindestens ein optisches Element (2) nach Anspruch 10 zur Führung der Terahertz-Strahlung aufweist.Terahertz system, comprising a terahertz transmitter (10) for generating terahertz radiation and / or a terahertz receiver (11) for receiving terahertz radiation, the terahertz system according to at least one optical element (2) Claim 10 for guiding the terahertz radiation. Terahertz-System nach Anspruch 11, wobei das mindestens eine optische Element (2) Bestandteil des Terahertz-Senders (10) und/oder Bestandteil des Terahertz-Empfängers (11) ist.Terahertz system Claim 11 , wherein the at least one optical element (2) is part of the terahertz transmitter (10) and / or part of the terahertz receiver (11).
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