DE102017214736A1

DE102017214736A1 - Optische Anordnung zur gleichzeitigen Ausbildung von Oberflächenstrukturen an einem Substrat mittels direkter Laserinterferenzstrukturierung

Info

Publication number: DE102017214736A1
Application number: DE102017214736.9A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Krupop; Valentin Lang; Andrés-Fabián Lasagni
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2019-02-28
Anticipated expiration: 2037-08-24
Also published as: DE102017214736B4

Abstract

Bei der optischen Anordnung zur gleichzeitigen Ausbildung von Oberflächenstrukturen an einem Substrat mittels direkter Laserinterferenzstrukturierung ist die jeweilige Oberflächenstruktur mit linienförmigen Einzelelementen ausgebildet. Es werden linienförmige Einzelelemente ausgebildet, die in einem Winkel ungleich 0 ° zueinander ausgerichtet sind. Ein von einer Laserstrahlquelle emittierter Laserstrahl (1) ist auf ein diffraktives optisches Element (2) gerichtet, mit dem der Laserstrahl (1) in mindestens vier Teilstrahlen (1.1, 1.2, ....1.X) aufteilbar ist. Die Teilstrahlen (1.1, 1.2, ... 1.X) treffen auf ein zweites optisches Element (4) auf, mit dem die Teilstrahlen (1.1, 1.2, ... 1.X) zueinander ausrichtbar sind. Die Teilstrahlen (1.1, 1.2, ... 1.X) werden mittels eines fokussierenden optischen Element (6) in Richtung einer Oberfläche eines Substrates fokussiert und miteinander interferierend gerichtet. Im Strahlengang von mindestens zwei der Teilstrahlen (1.1, 1.2, ...oder 1.X) ist ein optisches Element (5.1, 5.2, ....5.Y) angeordnet, das für die Laserstrahlung transparent ist und dessen Lichtgeschwindigkeit für die Laserstrahlung kleiner als die Lichtgeschwindigkeit für den Werkstoff eines optischen Elements oder eines Mediums, insbesondere Luft ist, durch das die jeweils anderen Teilstrahlen (1.1, 1.2, ... 1.X) in Richtung der zu strukturierenden Oberfläche des Substrates gerichtet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur gleichzeitigen Ausbildung von Oberflächenstrukturen an einem Substrat mittels direkter Laserinterferenzstrukturierung. Die jeweilige Oberflächenstruktur soll mit linienförmigen Einzelelementen ausgebildet werden können, wobei linienförmige Einzelelemente ausgebildet werden, die in einem Winkel ungleich 0 °, bevorzugt 90 ° zueinander ausgerichtet sind.
Das Verfahren der direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) beruht auf der Überlagerung mehrerer kollimierter und kohärenter Laserstrahlen. Dabei kommt es in einem Überlappungsvolumen zur Interferenz mehrerer Laserstrahlen. Das Überlappungsvolumen kann unmittelbar über, unter oder in der Ebene der zu strukturierenden Oberfläche angeordnet sein. Es können so Mikro- und Submikrostrukturen mit einem einzigen Laserpuls auf einer Fläche einer Oberfläche ausgebildet werden.
Entsprechende Verfahren und Anordnungen sind beispielsweise aus DE 10 2015 214 960 A1 oder DE 10 2013 004 869 B4 bekannt.
Mit einer Überlagerung von mindestens zwei Laserstrahlen, die üblicherweise durch Strahlteilung erhalten worden sind, können linienförmige Strukturen ausgebildet werden. Mit drei oder vier Laserstrahlen können Säulenstrukturen erhalten werden.
Sollen Oberflächenstrukturen mit linienförmigen Strukturelementen ausgebildet werden, bei denen linienförmige Strukturelemente in Winkeln ungleich 0 ° zueinander ausgerichtet sein sollen, ist eine schrittweise Strukturausbildung erforderlich, bei der eine Relativbewegung von der zu strukturierenden Oberfläche und der Laserstrahlführung durchgeführt werden muss, was zusätzlichen Aufwand und Zeit erfordert.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die simultane Ausbildung von Oberflächenstrukturen mit linienförmigen Einzelelementen, die in Winkeln ungleich 0° zueinander ausgerichtet sind, anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer optischen Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ist ein von einer Laserstrahlquelle emittierter Laserstrahl auf ein diffraktives optisches Element gerichtet. Der Laserstrahl ist dadurch in mindestens vier Teilstrahlen aufteilbar. Die Teilstrahlen treffen auf ein zweites optisches Element auf, mit dem die Teilstrahlen parallel zueinander ausrichtbar sind.
Die Teilstrahlen sind dann mittels eines fokussierenden optischen Elements in Richtung einer Oberfläche eines Substrates fokussiert und miteinander interferierend gerichtet.
Im Strahlengang mindestens zwei der Teilstrahlen ist ein optisches Element angeordnet, das für die Laserstrahlung transparent ist und dessen Lichtgeschwindigkeit für die Laserstrahlung kleiner als die Lichtgeschwindigkeit für den Werkstoff eines optischen Elements oder eines Mediums, insbesondere Luft ist, durch das die jeweils anderen Teilstrahlen in Richtung der zu strukturierenden Oberfläche des Substrates gerichtet sind.
Die zurück gelegte Weglänge mehrerer Teilstrahlen durch ein optisches Element mit kleinerer Lichtgeschwindigkeit für die Laserstrahlung sollte jeweils gleich groß sein.
Der Werkstoff mit der kleineren Lichtgeschwindigkeit weist eine höhere optische Dichte auf, als der jeweils andere Werkstoff oder das Medium.
Vorteilhaft sollte der Laserstrahl mit dem diffraktiven optischen Element in mindestens vier Teilstrahlen aufgeteilt werden.
Ein zweites optisches Element mit dem die Teilstrahlen parallel zueinander ausgerichtet werden, kann ein pyramiden- oder kegelförmiges Element sein.
Ein optisches Element mit kleinerer Lichtgeschwindigkeit für die Laserstrahlung kann ein Glaskörper, ein Kristall oder eine optische Faser, insbesondere eine Glasfaser sein.
Die kleinere Lichtgeschwindigkeit für den Werkstoff eines optisches Elementes sollte um mindestens 1 %, bevorzugt mindestens 20 %, besonders bevorzugt um mindestens 30 % kleiner, als die Lichtgeschwindigkeit des Werkstoffs oder Mediums durch den/das die jeweils anderen Teilstrahlen auf die Substratoberfläche gerichtet sind, sein.
Die Laserstrahlquelle kann vorteilhaft gepulst, bevorzugt mit Pulslängen im Piko- oder Femtosekundenbereich betrieben werden.
Das fokussierende optische Element kann eine asphärische Konvexlinse sein.
Der Werkstoff des/der optischen Elemente(s) und die Länge des Weges über die der/die jeweilige(n) Teilstrahl(en) durch das/die optische Element(e) geführt ist/sind, sollte so gewählt sein, dass linienförmige Strukturelemente ausgebildet werden, die in einem vorgebbaren Winkel, insbesondere einem Winkel von 90 ° zueinander ausgerichtet sind.
Die durch ein optisches Element geführten Teilstrahlen treffen um Δt zeitverzögert auf die zu strukturierende Oberfläche gegenüber den nicht durch ein solches optisches Element hindurch geführten Teilstrahlen auf. So ist beispielsweise die Zeit für Teilstrahlen, die durch ein optisches Element aus Quarzglas geführt werden, 1,46-fach größer als dies für Teilstrahlen, die durch Luft als Medium geführt werden. So ist für eine Verzögerung des Auftreffens der mit einem optischen Element gebremsten Teilstrahlen von 10 ps eine Weglänge durch ein optisches Element aus Quarzglas von 6,5 mm erforderlich.
Bei Laserpulsdauern im Nanosekundenbereich ist eine größere Weglänge erforderlich. Bei 10 ns sind dies 6,49 m. Hier bietet sich der Einsatz einer optischen Faser mit einem Glaskern an.
Die Erfindung bietet also eine einfache Möglichkeit in einem Verfahrensschritt Strukturen an Oberflächen von Substraten mit linienförmigen Einzelelementen auszubilden, die in unterschiedlichen Richtungen, beispielsweise als Kreuzmuster ausgebildet worden sind.
Solche Oberflächenstrukturen können mehrere Eigenschaften aufweisen. Aufgrund der erreichbaren Interferenz und Brechung von Licht können irisierende mehrfarbige Färbungen hervorgerufen werden, die vom jeweiligen Betrachtungswinkel abhängig sind. Diese Richtungsabhängigkeit kann mit der Erfindung bis auf ein Minimum reduziert werden.
Es können auch zumindest nahezu selbstreinigende Oberflächenstrukturen oder Oberflächenstrukturen mit verbesserten tribologischen Eigenschaften erhalten werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung in zwei Ansichten und
2 ein Diagramm der erreichbaren Verzögerung Δt von durch ein optisches Element aus Glas geführten Teilstrahlen in Abhängigkeit der dabei zurück gelegten Weglänge der Teilstrahlen bzw. der Dicke des optischen Elements.

1 zeigt zwei um jeweils 90 ° gedrehte Ansichten eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Dabei wird ein Laserstrahl 1 von einer nicht dargestellten Laserstrahlquelle auf das diffraktive optische Element 2 (optisches Gitter) gerichtet und mit diesem in insgesamt vier Teilstrahlen 1.1 bis 1.4 geteilt.
Die vier Teilstrahlen 1.1 bis 1.4 treffen auf die flache ebene Fläche eines pyramidenförmigen optischen Elements 4 auf und werden durch optische Brechung beim Austritt aus dem optischen Element 4 parallel zueinander und in Richtung eines hier nicht gezeigten Substrates ausgerichtet.
Die Teilstrahlen 1.1 und 1.2 werden jeweils durch ein optisches Element 5.1 und 5.2 aus Quarzglas und die zwei anderen Teilstrahlen 1.3 und 1.4 durch Luft als Medium geführt. Infolge der größeren optischen Dichte der optischen Elemente 5.1 und 5.2 werden die Teilstrahlen 1.1 und 1.2 verzögert und treffen mit der Zeitdifferenz Δt nach den Teilstrahlen 1.3 und 1.4 auf der zu strukturierenden Oberfläche auf. Beim Auftreffen auf die zu strukturierende Oberfläche tritt Interferenz der Teilstrahlen 1.1 und 1.2 sowie 1.3 und 1.4 auf.
Bei ausreichender Zeitdifferenz Δt können linienförmige Einzelelemente der Strukturierung erhalten werden, die in einem Winkel bis zu 90 ° zueinander ausgerichtet sind.
Wie 1 ebenfalls zu entnehmen ist, werden alle Teilstrahlen 1.1 bis 1.4 mit dem fokussierenden optischen Element 6 auf die entsprechende Oberfläche des Substrates fokussiert.
Dem in 2 gezeigten Diagramm kann man die Abhängigkeit der Zeitdifferenz Δt von der durch ein optisches Element 5.1 bzw. 5.2 aus Glas zurück gelegten Weglänge, also der Dicke dieser optischen Elemente 5.1 bzw. 5.2 entnehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015214960 A1 [0003]
DE 102013004869 B4 [0003]

Claims

Optische Anordnung zur gleichzeitigen Ausbildung von Oberflächenstrukturen an einem Substrat mittels direkter Laserinterferenzstrukturierung, bei dem die jeweilige Oberflächenstruktur mit linienförmigen Einzelelementen ausgebildet ist, wobei linienförmige Einzelelemente ausgebildet werden, die in einem Winkel ungleich 0 ° zueinander ausgerichtet sind, wobei ein von einer Laserstrahlquelle emittierter Laserstrahl (1) auf ein diffraktives optisches Element (2) gerichtet ist, mit dem der Laserstrahl (1) in mindestens vier Teilstrahlen (1.1, 1.2, ....1.X) aufteilbar ist, die Teilstrahlen (1.1, 1.2, ... 1.X) auf ein zweites optisches Element (4) auftreffen, mit dem die Teilstrahlen (1.1, 1.2, ... 1.X) zueinander ausrichtbar, insbesondere parallel zueinander ausrichtbar sind und die Teilstrahlen (1.1, 1.2, ... 1.X) mittels eines fokussierenden optischen Element (6) in Richtung einer Oberfläche eines Substrates fokussiert und miteinander interferierend gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang mindestens zwei der Teilstrahlen (1.1, 1.2, ...oder 1.X) ein optisches Element (5.1, 5.2, ....5.Y) angeordnet ist, das für die Laserstrahlung transparent ist und dessen Lichtgeschwindigkeit für die Laserstrahlung kleiner als die Lichtgeschwindigkeit für den Werkstoff eines optischen Elements oder eines Mediums, insbesondere Luft ist, durch das die jeweils anderen Teilstrahlen (1.1, 1.2, ... 1.X) in Richtung der zu strukturierenden Oberfläche des Substrates gerichtet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) mit dem diffraktiven optischen Element (2) in mindestens vier Teilstrahlen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) aufteilbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites optisches Element (4) ein pyramiden- oder kegelförmiges Element ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Element (5.1, 5.2, ....5.Y) mit kleinerer Lichtgeschwindigkeit sowie für die Laserstrahlung transparent ist, insbesondere ein Glaskörper, ein Kristall oder eine optische Faser ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtgeschwindigkeit für den Werkstoff eines optisches Elementes (5.1, 5.2, ....5.Y) um mindestens 1 %, bevorzugt mindestens 20 %, besonders bevorzugt um mindestens 30 % kleiner als die Lichtgeschwindigkeit des Werkstoffs oder Mediums durch den/das die jeweils anderen Teilstrahlen (1.1, 1.2, ... oder 1.X) auf die Substratoberfläche gerichtet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle gepulst, bevorzugt mit Pulslängen im Piko- oder Femtosekundenbereich betreibbar ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das fokussierende optische Element (6) bevorzugt eine asphärische Konvexlinse ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des/der optischen Elemente(s) (5.1, 5.2, ....5.Y) und die Länge des Weges durch die der/die jeweilige(n) Teilstrahl(en) (1.1, 1.2, ... oder 1.X) durch das/die optische Element(e) (5.1, 5.2, ....5.Y) geführt ist/sind, so gewählt sind, dass linienförmige Strukturelemente ausgebildet werden, die in einem vorgebbaren Winkel, insbesondere einem Winkel von 90 ° zueinander ausgerichtet sind.