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
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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
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
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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 soentspiegelte Oberfläche aus 3 , -
5 einen Querschnitt durch eine in entsprechender Weise entspiegelte Terahertz-Linse, -
6 in einer der5 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.
-
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 theanti-reflective surface 3 , -
5 a cross section through a correspondingly anti-reflective terahertz lens, -
6th in one of the5 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.
Bei der Laserlichtquelle
In
Durch den Antrieb
Bei dem optischen Element
Ein Querschnitt der so erzeugten Oberflächenstruktur ist in
Die mikroskopischen Säulen
In
Die
In
Mit dem THz-System kann eine zwischen dem Terahertz-Sender
Mit den hier vorgeschlagenen Maßnahmen ergibt sich ein flexibel einsetzbares System und Bearbeitungsverfahren zur Entspiegelung von optischen Elementen
Der Laserstrahl
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
Das optische Element
Schließlich ist auch eine Kombination möglich, bei der sowohl das optische Element
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.
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