DE102020205849A1

DE102020205849A1 - Anordnung optischer Elemente für die Ausbildung von Strukturmustern

Info

Publication number: DE102020205849A1
Application number: DE102020205849.0A
Authority: DE
Inventors: Sascha Teutoburg-Weiss; Andrés F. Lasagni
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Dlip Ug Haftungsbeschraenkt De; Surfunction De GmbH
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2021-11-11
Also published as: EP4146430A1; WO2021223992A1; US20230069848A1

Abstract

Bei der Anordnung ist ein eckiges Prisma (2) mit zwei dreieckigen Teilprismen (2.1 und 2.2) gebildet, die mittels einer mindestens einen Laserstrahl (1) in Teilstrahlen (1.1 und 1.2) teilende Eigenschaften aufweisenden Schicht (2.3) miteinander verbunden sind. Die zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) weisen zwei gleiche spitze Winkel α auf. Der Laserstrahl (1) ist auf eine nach außen weisende Oberfläche eines der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) gerichtet. Durch Reflexion eines Teils der Strahlung an der Schicht (2.3) und Transmission eines weiteren Teils der Strahlung durch die Schicht (2.3) erfolgt eine Teilung des mindestens einen Laserstrahls (1) in zwei Teilstrahlen (1.1 und 1.2). Die Teilstrahlen (1.1 und 1.2) treffen auf jeweils eine nach außen weisende Oberfläche auf und werden dort reflektiert und treten aus den Teilprismen (2.1 und 2.2) aus und treffen auf mindesten ein optisches Element (5) auf und werden so ausgerichtet, dass sie in einem Bereich eines Bauteils miteinander interferieren, in dem ein Strukturmuster ausgebildet werden soll.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung optischer Elemente für die Ausbildung von Strukturmustern, die mit einem kompakten, optischen Aufbau zum Erzeugen periodisch ausgeprägter Intensitäten von Laserstrahlung zur Strukturierung von Oberflächen ausgebildet werden können. Das dabei angewandte Verfahren zur Ausprägung der Intensitätsverteilung ist die Laserinterferenzstrukturierung.
Interferenzmuster wurden bisher durch den Einsatz von einem oder mehreren Strahlteiler(n) erhalten. Die so entstehenden Teilstrahlen werden durch reflektierende bzw. refraktive optische Elemente in unterschiedlichen Winkeln auf einen gleichen Bereich abgelenkt und dort überlagert, um dort ein Strukturmuster auszubilden. Dieser Ansatz erfordert eine präzise Ausrichtung der reflektierenden Elemente unter Beachtung von übereinstimmenden Weglängen der Teilstrahlen und genügend Raum für den Aufbau.
Da die Strukturperiode Λ des Interferenzmusters vom eingeschlossenen Winkel θ der Teilstrahlen abhängig ist, bedingt eine Änderung dieser stets eine erneute, aufwändige Justierung.
Eine weitere bekannte Möglichkeit ist es, die Strahlteilung mit Hilfe von diffraktiven optischen Elementen (DOEs) zu erreichen. Die Teilstrahlen werden dabei nach dem Durchgang eines diffraktiven optischen Elements mit einem vom DOE und der Laserwellenlänge abhängigen Winkel abgelenkt. Die weiteren Strahlverläufe von Teilstrahlen eines geteilten Laserstrahls können einmal mittels zwei fokussierender Optiken beeinflusst werden. Dazu wird der Strahlteilungspunkt am DOE auf der Oberfläche abgebildet. Eine erste Linse mit Fokus auf dem DOE parallelisiert die Teilstrahlen, die dann durch eine zweite Fokusoptik in Richtung eines Bauteils fokussiert und überlagert werden. Aufgrund fester Brennweiten bei optischen Linsen wird zur Änderung der Strukturperiode Λ mindestens eine der beiden Fokusoptiken mit einer davon unterscheidbaren Brennweite ersetzt.
Zum anderen, kann eine variable Änderung der Strukturperiode Λ dadurch erreicht werden, dass die durch ein DOE erhaltenen Teilstrahlen mit einem Prisma oder einer optischen Konfiguration gleicher Wirkung parallelisiert werden, wie dies in EP 2 976 176 B1 beschrieben ist. Der axiale Abstand von Prisma zum DOE bestimmt das lokale Auftreffen der Teilstrahlen auf dem Prisma und dadurch den effektiven Abstand zwischen ihnen. Eine nachgeschaltete optische Linse fokussiert und überlagert die parallel eintreffenden Teilstrahlen, wobei der Winkel und die daraus resultierende Periode aufgrund der festen Brennweite durch den Abstand der Teilstrahlen eingestellt werden kann. Zur exakten Parallelisierung der Teilstrahlen ist die Kombination von DOE und Prisma bezüglich des Abstrahlwinkels (DOE) und Basiswinkel (Prisma) für die entsprechende Wellenlänge entscheidend. Zudem sind zwei präzise gefertigte, optische Elemente notwendig.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen äußerst kompakten Aufbau für die direkte Laserinterferenzstrukturierung (DLIP), unter Beibehaltung der Flexibilität einer veränderbaren Strukturperiode, mit einer Reduzierung der erforderlichen optischen Elemente und des erforderlichen Bauvolumens, zur Verfügung zu stellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer optischen Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Erfindungsgemäß ist ein dreieckiges oder viereckiges Prisma mit zwei dreieckigen Teilprismen gebildet, die an einer planaren Fläche mittels einer mindestens einen Laserstrahl in Teilstrahlen teilende Eigenschaften aufweisenden Schicht miteinander verbunden sind.
Die zwei Teilprismen weisen zwei gleiche spitze Winkel α auf, die jeweils zwischen der planaren Fläche an der die zwei Teilprismen miteinander verbunden sind und einer nach außen weisenden Oberfläche angeordnet sind.
Der mindestens eine Laserstrahl ist auf eine der nach außen weisenden Oberflächen eines der zwei Teilprismen gerichtet. Dabei sollte der mindestens eine Laserstrahl bevorzugt senkrecht auf die nach außen weisende Oberfläche des einen der zwei Teilprismen gerichtet werden, um Reflexionsverluste weitestgehend vermeiden zu können.
Die Teilung des Laserstrahls in Teilstrahlen erfolgt an der Schicht, mit der die zwei Teilprismen verbunden sind, durch Reflexion eines Teils der Strahlung an der Schicht und Transmission eines weiteren Teils der Strahlung durch die Schicht. Dazu trifft der mindestens eine Laserstrahl auf die Schicht auf.
Die dadurch erhaltenen Teilstrahlen treffen dann auf jeweils eine nach außen weisende Oberfläche eines der zwei Teilprismen auf. Von dort treffen die dort reflektierten Teilstrahlen auf mindesten ein optisches Element auf, das so ausgebildet ist, dass die Teilstrahlen ausgerichtet, insbesondere so fokussiert werden, so dass sie in einem Bereich eines Bauteils miteinander interferieren, in dem ein Strukturmuster ausgebildet werden soll. Die Funktion des mindestens einen optischen Elements kann dabei auch die Oberfläche der zwei einzelnen Prismen sein an denen die Teilstrahlen austreten. Demnach können die erhaltenen Teilstrahlen auch allein oder zusätzlich zu dem mindestens einen optischen Element dadurch beeinflusst werden, dass
der Einfallswinkel des mindestens einen Laserstrahls auf die nach außen weisende Oberfläche des einen der zwei Teilprismen sowie die Winkel α, β und γ der zwei Teilprismen unter Berücksichtigung der Wellenlänge des mindestens einen Laserstrahls und der optischen Brechzahl der zwei Teilprismen so gewählt sind, dass die Teilstrahlen so ausgerichtet werden, dass sie in einem Bereich eines Bauteils miteinander interferieren, in dem ein Strukturmuster ausgebildet werden soll.
Der spitze Winkel α ist an der Seite der zwei Teilprismen angeordnet, die der Fläche gegenüberliegt an der die Teilstrahlen aus dem Prisma austreten.
Der mindestens eine Laserstrahl sollte vor dem Auftreffen auf eine der nach außen weisenden Oberflächen eines der zwei Teilprismen modifiziert, bevorzugt in seiner Polarisation an die Strahlteilerschicht angepasst sein, um eine gleichmäßige Verteilung der Energie in die Teilstrahlen zu gewährleisten. Dabei kann die die räumliche Intensitätsverteilung des auf die jeweilige Oberfläche eines der zwei Teilprismen gerichteten Laserstrahls frei angepasst werden. Der mindestens eine Laserstrahl kann beispielsweise mittels eines Zylinderlinsensystems linienförmig geformt oder mit geeigneten optischen Elementen in ein Flat-Top Profil konvertiert werden.
Ausgehend von einer zumeist radial gaußverteilten Laserstrahlungsenergieverteilung in der Querschnittsfläche eines Laserstrahls kann ein linienförmiger Strahlquerschnitt als ein Beispiel einer gleichmäßigeren räumlichen Intensitätsverteilung gewählt werden. Eine lineare Polarisation ist nicht zwingend erforderlich. Die Polarisation sollte jedoch passend zur jeweiligen Strahlteilerschicht gewählt werden oder gemäß den physikalischen Prinzipien der zur Strahlteilung eingesetzten Schicht im Vorfeld angepasst werden, damit ein möglichst gleiches energetische Verhältnis bei den Teilstrahlen eingehalten werden kann. Beispielsweise kann eine lineare Polarisation des von der jeweiligen Strahlquelle emittierten Laserstrahls in die richtige räumlichen Orientierung gedreht oder auch ein Wechsel von linearer Polarisation des Laserstrahls in zirkular polarisierte Laserstrahlung vorgenommen werden.
Die zwei Teilprismen können jeweils gleich ausgebildet sein. Dabei können an den zwei Teilprismen vorteilhaft jeweils zwei Oberflächen in einem Winkel α von 30 ° und jeweils zwei Oberflächen in einen Winkel β von 60 ° zueinander ausgerichtet sein. Dadurch bilden die zwei miteinander verbundenen zwei Teilprismen ein gleichschenkliges Dreieck bei denen die drei Oberflächen jeweils die gleiche Länge zwischen den Kanten mit den spitzen Winkeln aufweisen.
Vorteilhaft kann die Auftreffposition des mindestens einen Laserstrahls auf die Oberfläche des einen der zwei Teilprismen durch eine Relativbewegung des Brennflecks des Laserstrahls auf der nach außen weisenden Oberfläche und der Position des Prisma verändert werden, so dass sich der Abstand D_E der Auftreffposition zu der Spitze der zwei Teilprismen des damit gebildeten Prisma und dadurch der Einfallswinkel θ der Teilstrahlen in den Bereich, in dem die Teilstrahlen miteinander interferieren, verändern lässt. Der mindestens eine Laserstrahl kann dazu durch eine translatorische Verschiebung entsprechend bewegt werden. Er sollte dabei aber möglichst immer senkrecht auf die entsprechende Oberfläche auftreffen um Strahlungsverluste durch Reflexion zu vermeiden.
Der mindestens eine Laserstrahl kann mittels eines geeigneten reflektierenden optischen Elements auf die nach außen weisende Oberfläche gerichtet werden.
Zwischen dem mit den zwei Teilprismen gebildeten Prisma und dem mindestens einen optischen Element kann ein weiteres Prisma, das mit zwei weiteren Teilprismen, die mittels einer Schicht stoffschlüssig miteinander verbunden sind, angeordnet sein, auf das ein weiterer Laserstrahl senkrecht auf eine Oberfläche des weiteren Prisma gerichtet ist und mit dem weiteren Prisma der weitere Laserstrahl so transmittiert und reflektiert wird, dass weitere Teilstrahlen von diesem weiteren Prisma auf das mindestens ein optische Element gerichtet sind. Das weitere Prisma kann dabei analog zu dem bereits vorab beschriebenen Prisma ausgebildet sein und kann daher auch so genutzt werden. Dabei sollten die Auftreffpositionen der Laserstrahlen auf das jeweilige Teilprisma des zweiten Prismas unterschiedliche Abstände D_E aufweisen.
Alternativ zu dieser Ausführungsform kann ein weiteres Prisma in Bezug zu dem im Strahlengang der Teilstrahlen davor angeordneten Prisma auch versetzt angeordnet sein, so dass die jeweiligen Ebenen der zwei Prismen, welche durch die Fläche der stoffschlüssigen Verbindung der Teilprismen aufgespannt wird, parallel in einem seitlichen Abstand zueinander angeordnet sind. Die Kannten der zwei Prismen, die an den Teilprismen im Strahlengang der Teilstrahlen zuerst angeordnet sind, können dabei parallel zueinander ausgerichtet und in zwei unterschiedlichen parallel zueinander ausgerichteten Ebenen angeordnet sein.
Dadurch kann erreicht werden, dass die aus dem im Strahlengang der Teilstrahlen vor dem weiteren Prisma angeordneten Prisma austretenden Teilstrahlen in unterschiedlichen Eintrittspunktabständen D_E auf eine nach außen weisende Oberfläche auftreffen. Dies kann auch dadurch gefördert werden, in dem die Teilprismen dieses Prisma unterschiedlich ausgebildet sind und insbesondere die Oberflächen, aus denen die Teilstrahlen aus den Teilprismen austreten, in unterschiedlichen Winkeln ausgerichtet werden, so dass diese Teilstrahlen in unterschiedlichen Winkeln durch optische Brechung aus diesen Teilprismen austreten. Allein oder zusätzlich dazu kann man die aus dem im Strahlengang der Teilstrahlen zuerst angeordneten Teilprismen austretenden Teilstrahlen auch mittels reflektiver Elemente in unterschiedlichen Eintrittspunktabständen D_E auf nach außen weisende Oberflächen des weiteren Prismas auftreffen lassen.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, zwischen dem mit den zwei Teilprismen gebildeten Prisma und dem mindestens einen optischen Element ein weiteres Prisma, das mit zwei weiteren Teilprismen, die mittels einer Schicht miteinander verbunden sind, anzuordnen und in einem Winkel größer 0 °, bevorzugt im Bereich 30 ° bis 120 ° in Bezug zum Prisma auf das der mindestens eine Laserstrahl zuerst auftrifft, ausgerichtet ist. Die aus dem Prisma austretenden zwei Teilstrahlen können dann mittels eines reflektierenden Elements auf eine nach außen weisende Oberfläche des weiteren Prismas gerichtet werden, so dass die zwei Teilstrahlen jeweils in weitere Teilstrahlen aufteilbar und zur Ausbildung eines Strukturmusters einsetzbar sind._-Die relative Verdrehung der Teilstrahlen bezüglich der Ebene, in der die Schicht angeordnet ist, zwischen den zwei Teilprismen des weiteren Prismas lässt sich dabei wie Beschrieben durch Drehung des Prismas oder ein geeignetes zusätzliches optisches Element (z.B. Dove-Prisma) gewähren, welches die Teilstrahlen um eine gemeinsame Achse dreht.
Das mindestens eine optische Element kann mindestens eine fokussierende optische Linse, mindestens ein fokussierendes reflektierendes Element oder an dieser Position im Strahlengang der Teilstrahlen als eine Einrichtung, die zur räumlichen Modulation der Teilstrahlen ausgebildet ist, sein.
Im Strahlengang der Teilstrahlen kann zwischen dem Prisma oder dem weiteren Prisma ein Dove-Prisma oder ein weiteres strahlteilendes optisches Element, das für die Erreichung von Interferenz der Teilstrahlen mit höherer Ordnung ausgebildet ist, angeordnet sein. Ein Dove-Prisma kann um eine parallel zur optischen Achse der Teilstrahlen ausgerichtete Achse rotieren, um damit eine Veränderung der Ausrichtung von Strukturelementen, die ein Strukturmuster bilden, zu erreichen. Da es sich im Wesentlichen um periodisch auftretende Strukturelemente handelt, die mittels direkter Laserinterferenz ausgebildet werden, kann man unterschiedliche Strukturmuster auch dadurch ausbilden, die die gleiche oder eine sich verändernde Strukturperiode Λ aufweisen.
Als Werkstoff für die strahlteilende Schicht kann man ein Metall und/oder einen dielektrischen Werkstoff mit geeigneter Schichtdicke einsetzen. Geeignete Schichtwerkstoffe sind beispielsweise Silber, Aluminium, Gold, Chrom und Kombinationen aus dünnen Schichten mit unterschiedlichen optischen Brechzahlen, wie SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, Ta₂O₅, MgF₂, LaF₃ und AlF₃. Die stoffschlüssige symmetrische Verbindung der zwei Teilprismen kann beispielsweise mit optischen Haftklebestoffen auf Acrylatharz- oder Epoxidharzbasis erreicht werden.
Die Schicht oder ein aus mehreren Schichten gebildetes Schichtsystem kann man auf die Oberfläche eines der zwei Teilprismen mit einem Vakuumbeschichtungsverfahren mit geeigneter Schichtdicke aufbringen. Ist die Schicht mit einem Metall gebildet oder sie enthält ein Metall kann man sie auch als Lotschicht zur stoffschlüssigen Verbindung der zwei Teilprismen nutzen.
Der mindestens eine Laserstrahl wird in zwei parallele Teilstrahlen aufgeteilt. Bei dem optischen System handelt es sich um ein gleichseitiges Prisma, bestehend aus zwei Einzelprismen die über eine Strahlteilerschicht miteinander verkittet sein können. Man bezeichnet solche Prismen auch als „Koester-Prisma“. Der Laserstrahl wird dabei von einer Laserstrahlquelle selbst oder durch Ablenkung so auf das Prisma gerichtet, dass er orthogonal zur Prismenseitenfläche auftrifft. Dadurch kann ein rein transmittierendes Verhalten in das Prisma hinein erreicht werden und der einzelne Laserstrahl wird an der Strahlteilerschicht in zwei Teilstrahlen geteilt. Beide Teilstrahlen die von Prismen-Seitenflächen reflektiert werden, können in Totalreflexion am Übergang zwischen zwei Medien reflektiert und so parallelisiert werden. In Abhängigkeit von der jeweiligen lokalen Auftreffposition des Laserstrahls auf die Prismen-Seitenfläche kann der Abstand D_S zwischen den parallelen Teilstrahlen zueinander beeinflusst werden. Mit einem nachgeschalteten optischen Abbildungssystem, wie z.B. einer Festfokuslinse, einem Linsensystem (sphärisch, asphärisch, zylindrisch, etc.) oder einem Galvanometerscanner kann die Überlagerung und Fokussierung zur Interferenzbildung der Teilstrahlen beeinflusst werden. Zur Anpassung der Strahlaufteilung der Teilstrahlen im energetischen Verhältnis 50:50 und damit zum Beitrag der präzisen Interferenzbildung durch beide Teilstrahlen kann die Polarisation der Laserstrahlung im Vorfeld durch mindestens ein polarisierendes optisches Element oder ein optisches System entsprechend ausgerichtet werden.
Der variable Eintrittspunktabstand D_E der Auftreffposition des Laserstrahls zur Spitze des Prisma und der damit einhergehenden Änderungen des Strahlabstands D_S der Teilstrahlen zueinander und dem zwischen den Teilstrahlen eingeschlossenem Strahlwinkel θ bei konstanter Brennweite ƒ und Wellenlänge λ führen zu einer Beeinflussung der Strukturperiode Λ des auszubildenden Strukturmusters gemäß:

Strahlabstand: $D_{S} = \frac{4 D_{E}}{\sqrt{3}}$

Eingeschlossener Winkel: $Θ = 2 {tan}^{- 1} (\frac{D_{S}}{2 ƒ})$

Periode: $Λ = \frac{λ}{2 sin (\frac{Θ}{2})}$
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung, bei dem ein Laserstrahl an unterschiedlichen Positionen auf ein Prisma auftrifft, der in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird und
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung und
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels mit zwei Prismen.

Bei der in 1 gezeigten Anordnung trifft ein Laserstrahl 1 senkrecht auf eine Oberfläche eines der zwei Teilprismen 2.1 und 2.2 auf, die von den zwei spitzen Winkeln des Prisma 2.1 eingeschlossen ist. Dabei bilden die zwei Teilprismen 2.1 und 2.2 ein Prisma 2, in dem sie mittels der Schicht 2.3, im Beispiel dielektrische Beschichtung und Acrylatharzkleber, stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Bei dem gezeigten Prisma 2 haben alle Oberflächen die gleiche Länge und sind in gleichen Winkeln von 60 ° zueinander ausgerichtet. Dementsprechend weisen die zwei Teilprismen 2.1 und 2.2 jeweils einen Winkel γ von 90 ° an der Oberfläche auf, an der sie miteinander verbunden sind. Die beiden anderen Winkel der zwei gleichen dreieckigen Prismen 2.1 und 2.2 betragen 30 ° für den Winkel α und 60 ° für den Winkel β.
In nicht gezeigter Form können die Winkel auch andere Werte aufweisen, so dass die Winkel β bzw. γ auch kleiner oder größer sein können. Dabei sollten die Winkel der zwei Teilprismen 2.1 und 2.2 unter Berücksichtigung der Wellenlänge des Laserstrahls 1 und der optischen Brechzahl der zwei Teilprismen 2.1 und 2.2 gewählt werden, um ein Strukturmuster unter Ausnutzung der Interferenz der Teilstrahlen ausbilden zu können.
Wie in 1 erkennbar, trifft der senkrecht in das Prisma 2 eingestrahlte Laserstrahl 1 auf die Schicht 2.3 im Prisma 2 auf. An der Schicht 2.3 wird ein Teil der Laserstrahlung reflektiert und der andere Teil der Laserstrahlung gelangt infolge Transparenz durch die Schicht 2.3 hindurch, so dass der Laserstrahl 1 in zwei Teilstrahlen 1.1 und 1.2 aufgeteilt wird.
Beide Teilstrahlen 1.1 und 1.2 treffen auf eine Oberfläche des Prisma 2 auf, die von einem Winkel mit 30 ° und einem Winkel mit 60 ° eines der zwei Teilprismen 2.1 und 2.2 eingeschlossen wird und werden dort so reflektiert, dass sie parallel zueinander ausgerichtet sind und in einem Abstand zueinander aus dem Prisma 2 austreten. Bei diesem Beispiel treffen die Teilstrahlen 1.1 und 1.2 auf eine fokussierende optische Linse, als ein Beispiel für ein optisches Element 5. Mittels der fokussierenden Linse werden sie in Richtung eines Bereichs abgelenkt, in dem die Teilstrahlen 1.1 und 1.2 miteinander interferieren, so dass sie dort ein entsprechendes Strukturmuster ausbilden können.
Durch eine Relativbewegung eines Bauteils und der Anordnung können dabei großflächige Strukturmuster ausgebildet werden. Strukturmuster müssen nicht zwingend an einer Oberfläche eines Bauteils ausgebildet werden. Es kann auch unterhalb einer Oberfläche eines Bauteils durch eine Modifizierung des Bauteilwerkstoffs ein Strukturmuster ausgebildet werden.
Aus 1 kann man auch entnehmen, wie man auf sehr einfache Art die Strukturperiode Λ eines Strukturmusters beeinflussen kann. So trifft der Laserstrahl 1 an verschiedenen Positionen auf die Oberfläche des einen der zwei Teilprismen 2.1 und 2.2 auf, so dass die Auftreffpositionen unterschiedliche Abstände D_E zwischen Auftreffposition und der Spitze des Prisma 2 bzw. des Prisma 2.1 aufweisen.
Es ist erkennbar, dass bei einem größeren Abstand D_E der Abstand D_S der Teilstrahlen 1.1 und 1.2 und damit der Einfallswinkel θ größer ist, als bei einem kürzeren Abstand D_E, wie er in der rechten Darstellung gewählt worden ist.
Bei der links in der 1 gezeigten Darstellung ist die Strukturperiode Λ des so ausgebildeten Strukturmusters kleiner, als bei einem Strukturmuster, wie es gemäß der rechten Darstellung ausgebildet werden kann.
Bei der in 2 gezeigten Ausführung wird der Laserstrahl 1 mittels eines strahlablenkenden Elements 3, das ein den Laserstrahl 1 reflektierendes Element sein kann, auf eine nach außen weisende Oberfläche eines der zwei Teilprismen 2.1 gerichtet und mittels einer Polarisationsoptik 6 so linear polarisiert, dass die später erhaltenen Teilstrahlen 1.1 und 1.2 jeweils gleiche Energien aufweisen, bevor er auf die Oberfläche des Prisma 2.1 auftrifft. Die Polarisationsoptik 6 kann mindestens eine Wellenplatte, ein Polarisationsfilter, ein reflektierendes Element oder mindestens ein Polarisator, wie z.B. ein Wire-Grid, ein Polymer, ein Glan-Thomson-Element, ein Glan-Taylor-Element oder ein Brewsterfenster sein.
Ansonsten sind die zwei Teilprismen 2.1 und 2.2 und damit das Prisma 2 analog zum in 1 gezeigten ausgebildet.
Die aus dem Prisma 2 austretenden Teilstrahlen 1.1 und 1.2 treffen zu ihrer Modifikation auf mindestens ein weiteres optisches Element 4 auf, das im Strahlengang der Teilstrahlen 1.1 und 1.2 angeordnet ist. Dies kann eine Rotation der Teilstrahlen 1.1 und 1.2 um eine gemeinsame Rotationsachse bewirken, was mit einem Dove-Prisma als Element 4 möglich ist. Infolge der Rotation kann die räumliche Ausrichtung des von den Teilstrahlen eingeschlossenen Winkels θ beim Abbilden durch das Element 5 verändert werden, so dass Strukturmuster mit linienförmigen parallel zueinander ausgerichteten Strukturelementen mit unterschiedlicher Achsrichtung der Strukturelemente erhalten werden können.
Ein optisches Element 4 kann aber auch ein weiteres Prisma 2 sein, das wie das bereits beschriebene Prisma 2 ausgebildet sein kann. Dabei sollten bei dem im Strahlengang nachfolgend angeordneten weiteren Prisma unterschiedliche Abstande D_E für die jeweiligen Teilstrahlen, die aus dem ersten Prisma austreten, eingehalten werden.
Anstelle eines weiteren Prisma 2 kann man aber auch mindestens ein anderes optisches Element 4 einsetzen, mit dem Interferenzen der Teilstrahlen 1.1 und 1.2 höherer Ordnung erreicht werden können.
Außerdem ist bei dem in 2 gezeigtem Beispiel im Strahlengang der Teilstrahlen 1.1 und 1.2 hinter dem Element 4 mindestens ein optisches Element 5 angeordnet, mit dem die Teilstrahlen 1.1 und 1.2 so abgelenkt werden können, dass sie in einem Bereich miteinander interferieren, in dem ein Strukturmuster ausgebildet werden soll. Dies kann mit einer fokussierenden optischen Linse (asphärisch, sphärisch, zylindrisch), mindestens einem Galvanoscanner, fokussierenden und reflektierenden optischen Elementen oder einer Einrichtung, die zur räumlichen Modulation der Teilstrahlen 1.2 und 2.2 ausgebildet ist, erreicht werden.
3 zeigt eine Ausführungsform mit zwei nacheinander zwischen Laserstrahlungsquelle und auszubildendem Strukturmuster angeordneten Prismen 2, die jeweils ebenfalls als „Köster-Prisma“ ausgebildet sind.
Auch hier wird ein Laserstrahl 1 analog zu den vorab beschriebenen Beispielen auf eine nach außen weisende Oberfläche eines der zwei Teilprismen 2.1 gerichtet und dann mittels der Schicht 2.3 in zwei Teilstrahlen 1.1 und 1.2 aufgeteilt. Die austretenden Teilstrahlen 1.1 und 1.2 werden mittels eines reflektierenden optischen Elements 3 auf eine nach außen weisende Oberfläche des weiteren Prisma 2 bevorzugt senkrecht zu dieser Oberfläche gerichtet.
Auch das weitere Prisma 2 verfügt über eine Schicht 2.3, die zur Teilung der Teilstrahlen ausgebildet ist. Nach analoger Reflexion werden nunmehr vier Teilstrahlen 1.1 bis 1.4 durch ein optisches Element 5 zur Ausbildung eines Strukturmusters unter Nutzung der Interferenz der vier Teilstrahlen 1.1 bis 1.4 gerichtet.
Bei diesem Beispiel sind die zwei Prismen 2 in einem Winkel von 90 ° zueinander verdreht ausgerichtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2976176 B1 [0005]

Claims

Anordnung optischer Elemente für die Ausbildung von Strukturmustern mittels direkter Laserinterferenz, bei der ein dreieckiges oder viereckiges Prisma (2) mit zwei dreieckigen Teilprismen (2.1 und 2.2) gebildet, die an einer planaren Fläche mittels einer mindestens einen Laserstrahl (1) in Teilstrahlen (1.1 und 1.2) teilende Eigenschaften aufweisenden Schicht (2.3) miteinander verbunden sind, und die zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) zwei gleiche spitze Winkel α aufweisen, die jeweils zwischen der planaren Fläche an der die zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) miteinander verbunden sind und einer nach außen weisenden Oberfläche angeordnet sind, wobei der mindestens eine Laserstrahl (1) auf eine der nach außen weisenden Oberflächen eines der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) gerichtet ist, so dass der mindestens eine Laserstrahl (1) innerhalb des Prisma (2) auf die Schicht (2.3) auftrifft und dort durch Reflexion eines Teils der Strahlung an der Schicht (2.3) und Transmission eines weiteren Teils der Strahlung durch die Schicht (2.3) eine Teilung des mindestens einen Laserstrahls (1) in zwei Teilstrahlen (1.1 und 1.2) erfolgt, wobei die dadurch erhaltenen Teilstrahlen (1.1 und 1.2) auf jeweils eine der nach außen weisenden Oberflächen eines der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) auftreffen, an diesen Oberflächen reflektiert werden und die Teilstrahlen (1.1 und 1.2) aus den Flächen der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) austreten, die dem spitzen Winkel a gegenüberliegend angeordnet sind, von dort auf mindesten ein optisches Element (5) auftreffen, das so ausgebildet ist, dass die Teilstrahlen (1.1 und 1.2) so ausgerichtet werden, dass sie in einem Bereich eines Bauteils miteinander interferieren, in dem ein Strukturmuster ausgebildet werden soll und/oder der Einfallswinkel des mindestens einen Laserstrahls (1) auf die nach außen weisende Oberfläche des einen der zwei Teilprismen (2.1 oder 2.2) sowie die Winkel α, β und γ der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) unter Berücksichtigung der Wellenlänge des mindestens einen Laserstrahls (1) und der optischen Brechzahl der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) so gewählt sind, dass die Teilstrahlen (1.1 und 1.2) so ausgerichtet werden, dass sie in einem Bereich eines Bauteils miteinander interferieren, in dem ein Strukturmuster ausgebildet werden soll.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserstrahl (1) senkrecht auf die nach außen weisende Oberfläche eines der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) gerichtet ist, der in seiner Polarisation oder seiner räumlichen Intensitätsverteilung vor dem Auftreffen auf eine der nach außen weisenden Oberflächen eines der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) modifiziert worden ist.
Anordnung nach dem der vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) jeweils gleich ausgebildet sind.
Anordnung nach dem der vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an den zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) jeweils zwei Oberflächen in einem Winkel von 30 ° und jeweils zwei Oberflächen in einen Winkel von 60 ° zueinander ausgerichtet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftreffposition des mindestens einen Laserstrahls (1) auf die nach außen weisende Oberfläche des einen der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) veränderbar ist, so dass sich der Abstand D_E der Auftreffposition zu der Spitze der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) und dadurch der Einfallswinkel θ der Teilstrahlen (1.1 und 1.2) in den Bereich, in dem die Teilstrahlen (1.1 und 1.2) miteinander interferieren, verändern lässt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mit den zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) gebildeten Prisma (2) und dem mindestens einen optischen Element (5) ein weiteres Prisma (2), das mit zwei weiteren Teilprismen (2.1 und 2.2), die mittels einer Schicht (2.3) miteinander verbunden sind, angeordnet ist und ein weiterer Laserstrahl (1) senkrecht auf eine Oberfläche des weiteren Prisma (2) gerichtet ist und mit dem weiteren Prisma (2) so transmittiert und reflektiert wird, dass weitere Teilstrahlen (1.1 und 1.2) von diesem weiteren Prisma (2) auf das mindestens ein optische Element (5) gerichtet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mit den zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) gebildeten Prisma (2) und dem mindestens einen optischen Element (5) ein weiteres Prisma (2), das mit zwei weiteren Teilprismen (2.1 und 2.2), die mittels einer Schicht (2.3) miteinander verbunden sind, angeordnet und in einem Winkel größer 0 °, in Bezug zum Prisma (2) auf das der mindestens eine Laserstrahl (1) zuerst auftrifft, ausgerichtet ist oder die aus dem Prisma (2) austretenden Teilstrahlen (1.1 und 1.2)-um eine gemeinsame Achse drehbar sind und direkt oder mittels eines reflektierenden Elements (3) auf eine nach außen weisende Oberfläche des weiteren Prismas (2) gerichtet sind, so dass die zwei Teilstrahlen (1.1 und 1.2) jeweils in weitere Teilstrahlen (1.1 bis 1.4) aufteilbar und zur Ausbildung eines Strukturmusters einsetzbar sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optisches Element (5) mindestens eine fokussierende optische Linse, mindestens ein fokussierendes reflektierendes Element oder eine an dieser Position im Strahlengang der Teilstrahlen (1.1 und 1.2) als eine Einrichtung, die zur räumlichen Modulation der Teilstrahlen (1.1 und 1.2) ausgebildet ist, angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Teilstrahlen (1.1 und 1.2) zwischen dem Prisma (2) oder dem weiteren Prisma (2) ein Dove-Prisma (4) oder ein weiteres strahlteilendes optisches Element, das für die Erreichung von Interferenz der Teilstrahlen (1.1 und 1.2) mit höherer Ordnung ausgebildet ist, angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2.3) aus Silber, Aluminium, Gold, Chrom oder als Kombination mehrerer übereinander ausgebildeten dünnen Schichten mit unterschiedlichen optischen Brechzahlen, wie insbesondere SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, Ta₂O₅, MgF₂, LaF₃ und AlF₃ gebildet ist.