DE102021117204A1 - Device and method for laser interference structuring of transparent substrates with periodic point structures for anti-reflection properties - Google Patents

Device and method for laser interference structuring of transparent substrates with periodic point structures for anti-reflection properties Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Strukturierung von Substraten mit periodischen Punktstrukturen im Mikro- oder Submikrometerbereich, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Strukturierung von Oberflächen und dem Inneren eines transparenten Substrats mittels Laserinterferenzstrukturierung. Die derart erzeugte Strukturierung mit periodischen Punktstrukturen im Mikro- oder Submikrometerbereich zeichnet sich durch eine ausgeprägte Antireflexionseigenschaft aus. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein strukturiertes Substrat mit Antireflexionseigenschaften, das eine periodische Punktstruktur umfasst.

Figure DE102021117204A1_0000
The present invention relates to the field of structuring substrates with periodic point structures in the micrometer or submicrometer range, in particular a device and a method for structuring surfaces and the interior of a transparent substrate by means of laser interference structuring. The structuring produced in this way with periodic point structures in the micrometer or submicrometer range is distinguished by a pronounced anti-reflection property. In addition, the present invention relates to a structured substrate with antireflection properties, which includes a periodic point structure.
Figure DE102021117204A1_0000

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Strukturierung von Substraten, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Strukturierung von Oberflächen und dem Inneren eines transparenten Substrats mittels Laserinterferenzstrukturierung. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein strukturiertes Substrat - beispielhaft sind hier flächige Substrate, insbesondere sog. Antireflexionsverglasung genannt - mit Antireflexionseigenschaften, das eine periodische Punktstruktur umfasst.The present invention relates to the field of structuring substrates, in particular a device and a method for structuring surfaces and the interior of a transparent substrate by means of laser interference structuring. In addition, the present invention relates to a structured substrate--flat substrates, in particular so-called anti-reflection glazing are mentioned here by way of example--with anti-reflection properties, which comprises a periodic point structure.

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Behandlung von Oberflächen bekannt, mit denen die Oberfläche von transparenten Substraten, insbesondere Glas, aber auch festen Polymeren, so verändert werden kann, dass die Reflexion des Substrates verringert werden kann. Typische Verfahren bringen hierzu ein zusätzliches Material auf die Oberfläche des zu entspiegelnden Substrats auf (sog. Struktur- oder Schicht-aufbauende Verfahren), wobei sich der Brechungsindex der verschiedenen Materialien unterscheidet.Methods for treating surfaces are known from the prior art, with which the surface of transparent substrates, in particular glass, but also solid polymers, can be modified in such a way that the reflection of the substrate can be reduced. For this purpose, typical methods apply an additional material to the surface of the substrate to be anti-reflective (so-called structure or layer-building methods), with the refractive index of the different materials being different.

In US8557877B2 wird beispielsweise ein mögliches Schicht-aufbauendes Verfahren erläutert. Dabei wird eine Beschichtungslösung aus mindestens zwei chemischen Ausgangsmaterialien erzeugt, anschließend deren pH-Wert reduziert und dann optional mit einer weiteren Lösung verdünnt, bevor die Beschichtung auf das gewünschte Substrat aufgetragen wird. Bei dieser Art von Beschichtungsverfahren werden verschiedene chemische Substanzen mit oftmals geringer Umweltverträglichkeit verwendet, deren Entsorgung und Handling kostenintensiv und aufwändig ist.In US8557877B2 a possible layer-building process is explained, for example. A coating solution is created from at least two chemical starting materials, the pH of which is then reduced and then optionally diluted with another solution before the coating is applied to the desired substrate. In this type of coating process, various chemical substances are used, which are often of low environmental compatibility, and the disposal and handling of which is cost-intensive and complex.

Dieser Art von Verfahren liegt eine Verminderung des Reflexionsgrades durch destruktive Interferenz zugrunde. Dabei muss der Brechungsindex des Materials, das für die Beschichtung verwendet wird, auf das zu beschichtende Substrat und das Medium, das sich vor dem Substrat befindet (in der Regel Luft), abgestimmt werden. Da nicht jedes Beschichtungsmaterial auf die gleiche Weise verarbeitet werden kann, ist es nach einem solchen Verfahren erforderlich, unterschiedliche Prozesse für die Beschichtung unterschiedlicher Substratmaterialien zu verwenden.This type of method is based on a reduction in reflectivity through destructive interference. The refractive index of the material used for the coating must be matched to the substrate to be coated and the medium in front of the substrate (usually air). Since not every coating material can be processed in the same way, such a method requires the use of different processes for coating different substrate materials.

In US10459125B2 wird daher ein Verfahren beschrieben, bei dem auf einem Substrat eine sog. Mottenaugenstruktur chemisch generiert wird, indem auf das Substrat ein Polymerfilm aufgetragen wird. Diese Art von Struktur ist dem Prinzip des Mottenauges nachempfunden, auf dessen Oberfläche sich regelmäßig angeordnete Nanostrukturen finden, deren Dimensionen kleiner sind als die Wellenlänge des auf sie eintreffenden Lichts. Dadurch wird eine Schicht mit abgestuftem Brechungsindex am Übergang vom Medium, das sich vor dem Substrat befindet, und dem Substrat selbst erzeugt, welche die Reflexion erheblich vermindert.In US10459125B2 a method is therefore described in which a so-called moth-eye structure is chemically generated on a substrate by applying a polymer film to the substrate. This type of structure is based on the principle of the moth's eye, on the surface of which are regularly arranged nanostructures whose dimensions are smaller than the wavelength of the light that strikes them. This creates a layer with a graded refractive index at the interface between the medium in front of the substrate and the substrate itself, which significantly reduces reflection.

Ein so erzeugter Film kann unabhängig vom zu beschichtenden Substrat verwendet werden, da die Reduktion der Reflexion nicht vom Brechungsindex des Materials, das für die Beschichtung verwendet wird, abhängt. Allerdings basiert die Beschichtungsmethode nach wie vor auf chemischen Substanzen mit den oben bereits genannten Nachteilen.A film produced in this way can be used independently of the substrate to be coated, since the reduction in reflection does not depend on the refractive index of the material used for the coating. However, the coating method is still based on chemical substances with the disadvantages already mentioned above.

Zusätzlich ist eine so erzeugte Beschichtung anfällig für mechanische Beanspruchung (Abrieb, Stöße, etc.) und altert dementsprechend schnell. Nach einiger Zeit löst sich die Beschichtung daher häufig vom Substrat und/oder verliert ihre reflexionsvermindernden Eigenschaften.In addition, a coating produced in this way is susceptible to mechanical stress (abrasion, impacts, etc.) and ages accordingly quickly. Therefore, over time, the coating often delaminates from the substrate and/or loses its anti-reflective properties.

In WO 2019/166836 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Antireflexionsstruktur erläutert, bei dem mittels eines Lasers die Oberfläche eines Substrates in der Form bearbeitet wird, dass sie Antireflexionseigenschaften erhält. Hierbei wird mit einem fokussierten Laserstrahl das Substratmaterial modifiziert und dadurch eine Nanostruktur durch Selbstorganisationsprozesse unter Ausnutzen von laser-induzierten periodischen Oberflächenstrukturen (engl. Laser-induced Periodic Surface Structures - LIPSS) erzeugt. Durch die geeignete Auswahl von Laserfluenz und Überlagerung der Strahlbrennpunkte auf der Substratoberfläche kann eine sich quasi-periodisch wiederholende Strukturierung generiert werden. Somit erhält man eine Antireflexionsoberfläche. Es werden keine Chemikalien benötigt und eine große Bandbreite von Substratmaterialien kann auf diese Weise bearbeitet werden.In WO 2019/166836 A1 a method for producing an anti-reflection structure is explained, in which the surface of a substrate is processed by means of a laser in such a way that it receives anti-reflection properties. The substrate material is modified with a focused laser beam and a nanostructure is thereby generated by self-organization processes using laser-induced periodic surface structures (LIPSS). A quasi-periodically repeating structuring can be generated by the suitable selection of laser fluence and superimposition of the beam focal points on the substrate surface. An antireflection surface is thus obtained. No chemicals are required and a wide range of substrate materials can be processed in this way.

Dieses Verfahren arbeitet jedoch sukzessiv und ist bedingt durch den zugrundeliegenden Selbstorganisationsprozess der LIPSS zeitaufwändig. Eine flächige Nanostrukturerzeugung in einem Schritt ist nicht möglich, da die LIPSS sich nur durch wiederholtes Bearbeiten nahe liegender Flächenbereiche ausprägen. Außerdem hängt die Regelmäßigkeit der Struktur von den konkreten Prozess- bzw. Umgebungsbedingungen ab, so dass Abweichungen im Oberflächenzustand (Material leicht unterschiedlich, mikroskopische Verschmutzungen) zu veränderten Ergebnissen führen kann.However, this method works successively and is time-consuming due to the underlying self-organization process of the LIPSS. A two-dimensional nanostructure production in one step is not possible, since the LIPSS are only formed by repeated processing of nearby surface areas. In addition, the regularity of the structure depends on the specific process and environmental conditions, so that deviations in the surface condition (slightly different material, microscopic contamination) can lead to changed results.

In EP2431120A1 wird ein Verfahren zur direkten Strukturierung eines dünnen Films offenbart, bei dem mittels interferierender Laserstrahlen periodische Strukturen in dünnen Metallfilmen erzeugt werden können. Hierbei werden mehrere gepulste Laserstrahlen auf den dünnen Film gelenkt, wobei diese in einem Interferenzbereich interferieren, sodass in den Bereichen hoher Intensität das Material des dünnen Films verdampft wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die so entstehende Struktur durch die Einstellung der Intensität der Laserstrahlen oder der Verschiebung des Films in z-Richtung (also in Richtung der einfallenden Laserstrahlen oder von ihnen weg) verändert werden kann. Über zusätzliche optische Elemente wird ein Phasenunterschied zwischen den Laserstrahlen erzeugt, die das Interferenzmuster beeinflussen. Die einfallenden Laserstrahlen werden durch ein Fokussierelement auf die Oberfläche des dünnen Films fokussiert und dabei verkleinert, sodass sich Bereiche hoher Intensität ergeben, in denen das Material des dünnen Films verdampft wird.In EP2431120A1 discloses a method for direct structuring of a thin film in which periodic structures can be created in thin metal films by means of interfering laser beams. In this case, several pulsed laser beams are directed onto the thin film, interfering in an interference area so that the material of the thin film is vaporized in the high-intensity areas. The method is characterized in that the resulting structure can be changed by adjusting the intensity of the laser beams or by shifting the film in the z-direction (i.e. in the direction of the incident laser beams or away from them). A phase difference between the laser beams is generated via additional optical elements, which influence the interference pattern. The incident laser beams are focused onto the surface of the thin film by a focusing element and thereby reduced in size, resulting in areas of high intensity where the thin film material is vaporized.

Dieses Verfahren benötigt eine Möglichkeit, die Intensität der einfallenden Laserstrahlen zu modifizieren. Dies kann entweder über die Festlegung auf eine bestimmte Laserstrahlungsquelle oder eine Einheit zur Kontrolle der Intensität des Laserstrahls geschehen. Die Intensität muss abhängig von der Verdampfungsschwelle des Materials des dünnen Films eingestellt werden. Dies bedeutet, dass für unterschiedliche Materialien unterschiedliche Laserstrahlungsquellen verwendet werden müssen, oder ein zusätzliches Element zur Intensitätskontrolle benötigt wird. Eine Verschiebung der optischen Elemente ermöglicht keine Kontrolle des entstehenden Interferenzmusters. Bei der Bearbeitung von Materialien mit einer hohen Verdampfungsschwelle ist zudem die Beschädigung der optischen Elemente im Strahlengang des Lasers denkbar.This method requires a way to modify the intensity of the incident laser beams. This can be done either by specifying a specific laser radiation source or by using a unit to control the intensity of the laser beam. The intensity needs to be adjusted depending on the evaporation threshold of the thin film material. This means that different laser radiation sources must be used for different materials, or an additional element is required for intensity control. Shifting the optical elements does not allow the resulting interference pattern to be controlled. When processing materials with a high evaporation threshold, damage to the optical elements in the laser beam path is also conceivable.

Aufgabetask

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit welchen ohne die Verwendung von umweltschädlichen Chemikalien eine direkte Strukturierung von Oberflächen, bspw. transparenten und/oder flächigen Oberflächen erzeugt werden kann, die dem Material antireflektierende Eigenschaften verleiht.It is therefore the object of the present invention to provide a device and a method with which a direct structuring of surfaces, for example transparent and/or flat surfaces, can be produced without the use of environmentally harmful chemicals, which gives the material anti-reflective properties.

Dabei ist es darüber hinaus Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine möglichst robuste Strukturierung zu erzeugen, die nicht durch Inanspruchnahme des transparenten Substrats ihre Wirksamkeit verliert. Außerdem sollte die Strukturierung von flächigen Proben innerhalb von kurzer Zeit durchführbar sein.In addition, it is an object of the present invention to produce a structuring that is as robust as possible and that does not lose its effectiveness as a result of the transparent substrate being stressed. In addition, the structuring of flat samples should be feasible within a short time.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Strukturierung mittels Laserinterferenz bereitzustellen, welches unabhängig von der Intensität der Laserstrahlungsquelle ist. Das Verfahren soll derart eingerichtet sein, dass auch bei hohen Intensitäten auf dem zu strukturierenden Substrat keine Beschädigung der optischen Elemente eintritt.A further object of the invention is to provide a method for structuring by means of laser interference, which is independent of the intensity of the laser radiation source. The method should be set up in such a way that the optical elements are not damaged even at high intensities on the substrate to be structured.

Lösungsolution

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, welche die Strukturierung von Substraten, bspw. flächigen und/oder transparenten Substraten mittels Laserinterferenzstrukturierung ermöglicht. Mittels dieser Vorrichtung können auf der Oberfläche oder im Inneren transparenter Substrate periodische Punktstrukturen mit Abmessungen im Mikro- und Submikrometer Bereich erzeugt werden, die dem Substrat Antireflexionseigenschaften (erhöhte Transmission) verleihen.The present invention provides a device which enables the structuring of substrates, for example flat and/or transparent substrates, by means of laser interference structuring. This device can be used to produce periodic point structures with dimensions in the micrometer and submicrometer range on the surface or inside transparent substrates, which give the substrate anti-reflection properties (increased transmission).

Die vorliegenden Aufgaben werden erfindungsgemäß mittels einer Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung zur direkten Laserinterferenzstrukturierung eines Substrats - beispielhaft sind hierin flächige und/oder transparente Substrate zu nennen - gemäß Anspruch 1 gelöst, umfassend

  • - eine Laserstrahlungsquelle (1) zum Emittieren eines Laserstrahls,
  • - ein Strahlteilerelement (2), das im Strahlengang (3) des Laserstrahls angeordnet ist,
  • - ein Fokussierelement (4), das derart eingerichtet ist, dass dieses die Teilstrahlen derart durchlaufen, dass die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Volumen eines Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats (5) in einem Interferenzbereich interferierbar sind,
wobei der Strahlteiler (2) entlang seiner optischen Achse im Strahlengang (3) frei beweglich ist, und wobei der Strahlteiler (2) dazu eingerichtet ist, den einfallenden Laserstrahl, der von der Laserstrahlungsquelle (1) ausgesandt wird, in zumindest 3, vorzugsweise zumindest 4 Teilstrahlen, insbesondere 4 bis 8, also 4, 5, 6, 7, oder 8 Teilstrahlen, aufzuteilen.The present objects are achieved according to the invention by means of a laser interference structuring device for direct laser interference structuring of a substrate--flat and/or transparent substrates are to be mentioned here by way of example--according to claim 1, comprising
  • - a laser radiation source (1) for emitting a laser beam,
  • - a beam splitter element (2) which is arranged in the beam path (3) of the laser beam,
  • - a focusing element (4), which is set up in such a way that the partial beams pass through it in such a way that the partial beams can be interfered with on the surface or in the volume of a substrate, preferably a flat and/or transparent substrate (5), in an interference region,
wherein the beam splitter (2) is freely movable along its optical axis in the beam path (3), and wherein the beam splitter (2) is set up to split the incident laser beam, which is emitted by the laser radiation source (1), into at least 3, preferably at least 4 sub-beams, in particular 4 to 8, ie 4, 5, 6, 7, or 8 sub-beams to split.

Besonders bevorzugt ist der Strahlteiler (2) derart eingerichtet, dass dieser den einfallenden Laserstrahl in ein geradzahliges Vielfaches, d.h. 4, 6 oder 8 Teilstrahlen, ganz besonders bevorzugt 4 Teilstrahlen aufteilt.The beam splitter (2) is particularly preferably set up in such a way that it splits the incident laser beam into an even multiple, i.e. 4, 6 or 8 partial beams, very particularly preferably 4 partial beams.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann ein Strahlteiler (2) derart vorgesehen sein, dass dieser einen ersten Strahlteiler und zumindest einen, dem ersten Strahlteiler nachgeordneten weiteren Strahlteiler umfasst, wobei der erste Strahlteiler den einfallenden Laserstrahl in zumindest 2 Teilstrahlen aufteilt und der weitere Strahlteiler in zumindest einem Strahlengang eines Teilstrahls angeordnet ist und diesen Teilstrahl beim Durchlaufen in zumindest 2 Teilstrahlen aufteilt.Alternatively or in addition to this, a beam splitter (2) can be provided such that it comprises a first beam splitter and at least one further beam splitter arranged downstream of the first beam splitter, with the first beam splitter dividing the incident laser beam into at least 2 partial beams and the further beam splitter into at least one Beam path of a partial beam is arranged and divides this partial beam into at least 2 partial beams as it passes through.

Zur Laserinterferenzstrukturierung des Substrats (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, wird hierbei der von der Laserstrahlungsquelle emittierte Laserstrahl durch das Strahlteilerelement (2) in zumindest 3, bevorzugt zumindest 4 Teilstrahlen aufgeteilt. Aus dem Stand der Technik sind lediglich Zweistrahlinterferenzen (d.h. Strukturierung mittels Interferenz von zwei Teilstrahlen) bekannt. Derartige Zweistrahlinterferenzen erzeugen jedoch nur Linienstrukturen auf dem Substrat.For laser interference structuring of the substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate, the laser beam emitted by the laser radiation source is divided by the beam splitter element (2) into at least 3, preferably at least 4 partial beams. Only two-beam interferences (i.e. structuring by means of interference of two partial beams) are known from the prior art. However, such two-beam interferences only produce line structures on the substrate.

Im Anschluss werden die Teilstrahlen durch das Fokussierelement (4) so umgelenkt, dass sie auf der Oberfläche oder im Inneren eines Substrats (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, in einem Interferenzbereich interferieren.The partial beams are then deflected by the focusing element (4) in such a way that they interfere in an interference region on the surface or inside a substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate.

Dadurch kann eine zweidimensionale, periodische Punktstruktur mit Abmessungen im Mikro- und Submikrometerbereich erzeugt werden, deren Strukturperiode durch die Verschiebung des Strahlteilerelements (2) entlang seiner optischen Achse frei einstellbar ist. Eine flächige Bearbeitung eines Substrats (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, ist möglich.As a result, a two-dimensional, periodic point structure with dimensions in the micrometer and submicrometer range can be produced, the structure period of which can be freely adjusted by shifting the beam splitter element (2) along its optical axis. A flat processing of a substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate, is possible.

Weitere vorteilhafte Ausführungen sind der Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments can be found in the description and the dependent claims.

Allgemeine VorteileGeneral Benefits

Als Vorteil der hierin definierten Vorrichtung kann genannt werden, dass durch diese Vorrichtung und dem mit ihrer Hilfe realisierbaren Verfahren bei der Strukturierung von Substraten, insbesondere bei der Erzeugung einer Struktur mit Antireflexionseigenschaften auf die Verwendung von Chemikalien und deren aufwändige Entsorgung verzichtet werden kann. Darüber hinaus kann somit auch auf die Aufreinigung der Substrate verzichtet werden.An advantage of the device defined herein is that this device and the method that can be implemented with its help in the structuring of substrates, in particular in the production of a structure with anti-reflection properties, the use of chemicals and their complex disposal can be dispensed with. In addition, the purification of the substrates can thus also be dispensed with.

Des Weiteren können eine breite Anzahl von Substraten, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substraten, insbesondere transparente Materialien mit der Vorrichtung bearbeitet werden. Da das Verfahren nicht vom Brechungsindex oder der Haftung bestimmter Beschichtungsmaterialien auf dem Substrat abhängig ist, ist dieses Verfahren also flexibler als herkömmliche chemische Verfahren.Furthermore, a large number of substrates, preferably flat and/or transparent substrates, in particular transparent materials, can be processed with the device. Since the process is not dependent on the refractive index or the adhesion of specific coating materials to the substrate, this process is more flexible than traditional chemical processes.

Im Vergleich zu WO 2019/166836 A1 ist die Bearbeitungszeit nach diesem Verfahren deutlich geringer, da die Periodizität der Strukturen durch die Interferenz der einfallenden, zumindest 3, vorzugsweise zumindest 4 Teilstrahlen in einem Interferenzbereich gewährleistet wird, und nicht durch zeitintensivere Selbstorganisationsprozesse zustande kommt. Zudem ist gegenüber herkömmlichen Verfahren von Vorteil, dass die Form (strukturelle Ausgestaltung; Geometrie) der erzeugten Mikro-/Nanostrukturen kontrolliert werden kann. Durch die Anzahl der interferierenden (Teil-)Strahlen, deren Polarisation, sowie durch die Einstellung der Prozessparameter, können die Strukturen in der Geometrie gesteuert werden und dadurch die Antireflexionseigenschaften gezielt beeinflusst werden.Compared to WO 2019/166836 A1 the processing time is significantly shorter with this method, since the periodicity of the structures is ensured by the interference of the incident, at least 3, preferably at least 4 partial beams in an interference area, and does not come about through more time-consuming self-organization processes. In addition, compared to conventional methods, it is advantageous that the shape (structural configuration; geometry) of the micro-/nanostructures produced can be controlled. The geometry of the structures can be controlled by the number of interfering (partial) beams, their polarization and the setting of the process parameters, thereby specifically influencing the anti-reflection properties.

Ferner ist die Stabilität der so erzeugten periodische Punktstruktur zu erwähnen, die im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungen beständiger ist, da sie sich nicht über die Zeit und die einsatzbedingte Materialbeanspruchung vom zu beschichtenden Substrat lösen kann.Furthermore, the stability of the periodic point structure produced in this way should be mentioned, which is more stable than conventional coatings, since it cannot become detached from the substrate to be coated over time and the material stress caused by use.

Wird die Strukturierung im Volumen, d.h. im Inneren des Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, insbesondere in dem transparenten Material vorgenommen, so ist die entstandene Strukturierung (d.h. die periodische Punktstruktur des strukturierten Substrates) unempfindlicher gegen Stöße und Abrieb als herkömmliche Beschichtungen. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Strukturierung (hierin auch als Texturierung bezeichnet) im Inneren des Materials (d.h. unterhalb der Oberfläche) nicht zwingend Antireflexionseigenschaften erzeugt. Die Texturierung im Inneren des Materials ist jedoch für andere Anwendungsgebiete interessant, wie Produktschutz, optische Datenspeicherung, Dekoration, usw.If the structuring is carried out in the volume, i.e. inside the substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, in particular in the transparent material, the resulting structuring (i.e. the periodic point structure of the structured substrate) is less sensitive to impact and abrasion than conventional coatings. The inventors have found that patterning (also referred to herein as texturing) inside the material (i.e. below the surface) does not necessarily produce anti-reflective properties. However, the texturing inside the material is interesting for other areas of application, such as product protection, optical data storage, decoration, etc.

Von besonderem Vorteil ist, dass durch den hierin offenbarten Aufbau der Vorrichtung bzw. die Anordnung der optischen Komponente Substrate mit sehr hohen Strukturierungsraten von bis zu 0,9 m2/min, insbesondere im Bereich von 0,01 bis 0,9 m2/min, besonders bevorzugt im Bereich von 0,05 bis 0,9 m2/min, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 0,9 m2/min strukturiert werden können. Dies ist dadurch gewährleistet, dass der Bereich, in dem die zumindest drei Teilstrahlen überlagert werden, durch eine bevorzugte Auswahl optischer Elemente aufgeweitet werden kann, wodurch in einem Bearbeitungsschritt eine große Fläche bestrahlt werden kann. Im Gegensatz zu dem Fachmann bekannten Verfahren wie dem direkten Laserschreiben ist keine starke Fokussierung zum Erzeugen von hochauflösenden Merkmalen notwendig.It is of particular advantage that the construction of the device disclosed herein or the arrangement of the optical component means that substrates with very high structuring rates of up to 0.9 m 2 /min, in particular in the range from 0.01 to 0.9 m 2 / min, particularly preferably in the range from 0.05 to 0.9 m 2 /min, very particularly preferably in the range from 0.1 to 0.9 m 2 /min. This is ensured by the fact that the area in which the at least three partial beams are superimposed can be widened by a preferred selection of optical elements, as a result of which a large area can be irradiated in one processing step. In contrast to methods known to those skilled in the art, such as direct laser writing, no strong focusing is necessary to produce high-resolution features.

Ausführliche BeschreibungDetailed description

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beschreibt einen Aufbau zur Laserinterferenzstrukturierung von Substraten, bspw. flächigen und/oder transparenten Substraten zur Erzeugung eines strukturierten Substrates, umfassend eine periodische Punktstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich, insbesondere zur Herstellung einer sog. Antireflexionsverglasung auf dem Substrat oder im Volumen (d.h. innerhalb) dieses Substrates.The device according to the invention describes a structure for laser interference structuring of substrates, for example flat and/or transparent substrates, for producing a structured substrate, comprising a periodic cal point structure in the micro or submicrometer range, in particular for the production of a so-called. Anti-reflection glazing on the substrate or in the volume (ie inside) of this substrate.

Substratsubstrate

Im Sinne der Erfindung bezieht sich der Begriff Substrat auf ein Substrat dessen Oberfläche eine Ausdehnung in mehrere Raumrichtungen hat. Es kann sich bei einem Substrat, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrat, um ein planares Substrat oder ein gekrümmtes Substrat, beispielsweise ein parabolisches Substrat handeln. Unter flächig ist im Sinne der Erfindung ferner zu verstehen, dass die Ausdehnung eines Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, beispielsweise eines planaren Substrates in x und y Richtung, beziehungsweise die Ausdehnung eines gekrümmten Substrates entlang seines Krümmungsradius größer ist als die Ausdehnung des Bereichs, in dem die zumindest drei Teilstrahlen miteinander interferieren.For the purposes of the invention, the term substrate refers to a substrate whose surface extends in several spatial directions. A substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, can be a planar substrate or a curved substrate, for example a parabolic substrate. For the purposes of the invention, flat is also to be understood as meaning that the extent of a substrate, preferably flat and/or transparent substrate, for example a planar substrate, in the x and y direction, or the extent of a curved substrate along its radius of curvature, is greater than the extent of the Area in which the at least three partial beams interfere with each other.

In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Substrat um ein Substrat, dessen Ausdehnung in x und y Richtung, beziehungsweise dessen Ausdehnung entlang eines Krümmungsradius kleiner oder gleich der Ausdehnung des Bereichs ist, in dem die zumindest drei Teilstrahlen miteinander interferieren. Eine homogene Strukturierung des Substrats ist in einem Bearbeitungsschritt (während eines Laserpulses) möglich.In a preferred configuration, the substrate is a substrate whose extent in the x and y direction, or whose extent along a radius of curvature, is less than or equal to the extent of the area in which the at least three partial beams interfere with one another. A homogeneous structuring of the substrate is possible in one processing step (during a laser pulse).

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Substrat um ein flächiges Substrat, dessen Ausdehnung in x und y Richtung, beziehungsweise dessen Ausdehnung entlang eines Krümmungsradius größer der Ausdehnung des Bereichs ist, in dem die zumindest drei Teilstrahlen miteinander interferieren. Durch Bewegen des Substrats in der x und y Ebene ist eine flächige, homogene Strukturierung des Substrats in mehreren Bearbeitungsschritten (mit mehreren Laserpulsen) möglich.In a particularly preferred embodiment, the substrate is a flat substrate whose extent in the x and y direction, or whose extent along a radius of curvature, is greater than the extent of the area in which the at least three partial beams interfere with one another. By moving the substrate in the x and y plane, a two-dimensional, homogeneous structuring of the substrate is possible in several processing steps (with several laser pulses).

Im Sinne der Erfindung umfasst die Bezeichnung Substrat ein festes Material mit reflektierender Oberfläche. Beispiele für solche Materialien sind Metalle, Polymere, Keramiken und Gläser.For the purposes of the invention, the term substrate includes a solid material with a reflective surface. Examples of such materials are metals, polymers, ceramics and glasses.

Hinsichtlich der Substrate, die durch die Applizierung des erfindungsgemäßen Laserinterferenzstrukturierungsverfahrens mit einer periodischen Punktstruktur mit antireflektierenden Eigenschaften bearbeitet werden können, besteht im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine breite Auswahlmöglichkeit an transparenten und transluzenten aber auch intransparenten Materialien.With regard to the substrates that can be processed by applying the laser interference structuring method according to the invention with a periodic point structure with anti-reflection properties, there is a wide selection of transparent and translucent but also non-transparent materials within the scope of the present invention.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das flächige Substrat ein transparentes Material.In a particularly preferred embodiment, the flat substrate comprises a transparent material.

Im Allgemeinen weist das transparente Material eine hohe Durchlässigkeit für sichtbares Licht auf, die jedoch je nach Anwendung unterschiedlich ist. Der Transmissionsgrad des transparenten Materials beträgt nicht weniger als 70%, vorzugsweise nicht weniger als 80%, noch bevorzugter nicht weniger als 90%, ohne Abweichung im Spektrum im Bereich des sichtbaren Lichts (Wellenlänge 380 nm bis 780 nm).In general, the transparent material has a high visible light transmittance, but it varies depending on the application. The transmittance of the transparent material is not less than 70%, preferably not less than 80%, more preferably not less than 90% with no deviation in spectrum in the visible light region (wavelength 380 nm to 780 nm).

Ein transparentes Material umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung transparente Materialien, insbesondere Glas (z.B. Borosilikatgläser, Quarzgläser, Alkali-Erdalkali-Silikatgläser (bspw. Kalknatronglas), Alumosilikatgläser, metallische Gläser), aber auch feste Polymere (z.B. Polycarbonate, wie Makrolon® und Apec®; Polycarbonatblends, wie Makroblend® und Bayblen®; Polymethylmethacrylat, wie Plexiglas®; Polyester; Polyethylenterephthalat, Polypropylen, Polyethylen) sowie transparente Keramiken (bspw. Spinell-Keramiken, wie Mg-Al-Spinell, ALON, Aluminiumoxid, Yttriumaluminiumgranat, Yttriumoxid oder Zirkonoxid) oder Mischungen daraus. Polycarbonate sind Homopolycarbonate, Copolycarbonate und thermoplastische Polyestercarbonate.For the purposes of the present invention, a transparent material includes transparent materials, in particular glass (e.g. borosilicate glasses, quartz glasses, alkali-earth-alkaline silicate glasses (e.g. soda-lime glass), aluminosilicate glasses, metallic glasses), but also solid polymers (e.g. polycarbonates such as Makrolon® and Apec ®; polycarbonate blends such as Makroblend® and Bayblen®; polymethyl methacrylate such as Plexiglas®; polyester; polyethylene terephthalate, polypropylene, polyethylene) and transparent ceramics (e.g. spinel ceramics such as Mg-Al spinel, ALON, aluminum oxide, yttrium aluminum garnet, yttrium oxide or zirconium oxide) or mixtures thereof. Polycarbonates are homopolycarbonates, copolycarbonates and thermoplastic polyester carbonates.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung besteht das transparente Material aus einem Glas (wie hierin definiert) oder einem festen Polymer (wie hierin definiert).According to a particularly preferred embodiment, the transparent material consists of a glass (as defined herein) or a solid polymer (as defined herein).

Alternativ dazu kann das Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, auch ein intransparentes Material umfassen. Durch die Strukturierung des intransparenten Materials wird auf der Oberfläche des intransparenten Materials eine periodische Punktstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich erzeugt. Im Ergebnis kann hierdurch auf einem intransparenten Material eine Struktur mit Antireflexionseigenschaften erzeugt werden, wobei die ursprüngliche Rauheit der Oberfläche des intransparenten Substrates (d.h. vor der erfindungsgemäßen Strukturierung) im makroskopischen Bereich unverändert bzw. nahezu unverändert bleibt, wodurch effektiv eine Reflexionsverringerung einer sonst reflektiven Oberfläche eines intransparentes Material, bspw. einer Metalloberfläche induziert wird. Als intransparente Materialien eignen sich insbesondere Metalle (z.B. Silizium, Aluminium, Kupfer, Gold), metallische Legierungen (z.B. Stahl, Messing), keramische Materialien (z.B. Zirkonoxid, Titandioxid, Zirkondioxid) und Polymeren (PEEK, Polyetheretherketone; polyfluorierde Kohlenwasserstoffe, wie Teflon) sowie Kombinationen davon.As an alternative to this, the substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, can also comprise a non-transparent material. By structuring the opaque material, a periodic point structure in the micrometer or submicrometer range is generated on the surface of the opaque material. As a result, a structure with anti-reflection properties can be produced on an opaque material, with the original roughness of the surface of the opaque substrate (i.e. before the structuring according to the invention) remaining unchanged or almost unchanged in the macroscopic range, effectively reducing the reflection of an otherwise reflective surface of a non-transparent material, e.g. a metal surface is induced. Metals (e.g. silicon, aluminium, copper, gold), metallic alloys (e.g. steel, brass), ceramic materials (e.g. zirconium oxide, titanium dioxide, zirconium dioxide) and polymers (PEEK, polyetheretherketone; polyfluorinated hydrocarbons such as Teflon) are particularly suitable as opaque materials. as well as combinations thereof.

Punktförmige Struktur/Interferenzmuster/AntireflexionsverglasungPunctual structure/interference pattern/anti-reflection glazing

Von der vorliegenden Erfindung ist auch ein strukturiertes Substrat (5) mit Antireflexionseigenschaften umfasst, wobei das strukturierte Substrat eine periodische Punktstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich umfasst, wobei die periodische Punktstruktur aus inversen Zapfen gebildet ist, und wobei die inversen Zapfen periodisch mit einem Abstand bezogen auf deren jeweiligen Sattelpunkt bzw. Höhenmittelpunkt (kreisförmige Grundfläche) im Bereich von 50 nm bis 50 µm zueinander angeordnet sind.The present invention also includes a structured substrate (5) with anti-reflection properties, the structured substrate comprising a periodic point structure in the micrometer or submicron range, the periodic point structure being formed from inverse cones, and the inverse cones being periodically spaced apart are arranged on their respective saddle point or midpoint (circular base area) in the range of 50 nm to 50 µm to each other.

Der Begriff inverser Zapfen bezieht sich im Sinne dieser Erfindung auf Strukturen mit einer kreisförmigen Grundfläche, die in vertikaler Richtung kegelförmig in das Substrat zulaufen und in deren Sattelpunkt über eine abgerundete Kegelspitze verfügen. Die inversen Zapfen werden während des Strukturierungsprozesses, d.h. beim Auftreffen eines Laserpulses als Folge des Auftreffens eines Bereiches hoher Intensität in das zu strukturierende Substrat ausgebildet, wobei die Bereiche zwischen den inversen Zapfen auf bzw. innerhalb des Substrates idealerweise durch destruktive Interferenz deren Intensität Null ist im Wesentlichen Unstrukturiert verbleiben. Folglich wird durch die Fokussierung der Teillaserstrahlen auf bzw. innerhalb des Substrats das Negativ von dem, was die Intensitätsverteilung vorgibt, ausgebildet.In the context of this invention, the term inverse peg refers to structures with a circular base area, which taper conically into the substrate in the vertical direction and have a rounded cone tip at their saddle point. The inverse cones are formed during the structuring process, i.e. when a laser pulse strikes as a result of the impact of a high-intensity area on the substrate to be structured, with the areas between the inverse cones on or within the substrate ideally being formed by destructive interference whose intensity is zero in the Essentially remain unstructured. Consequently, by focusing the partial laser beams on or within the substrate, the negative of what is specified by the intensity distribution is formed.

Die Periode der Struktur wird im Sinne der Erfindung als Λ bezeichnet. Sie ist abhängig von der Wellenlänge der interferierenden Laserstrahlen, dem Einfallswinkel der interferierenden Laserstrahlen und der Anzahl der interferierenden Laserstrahlen.The period of the structure is referred to as Λ for the purposes of the invention. It depends on the wavelength of the interfering laser beams, the angle of incidence of the interfering laser beams and the number of interfering laser beams.

Ein strukturiertes Substrat mit Antireflexionseigenschaften, hier eine Antireflexionsverglasung genannt, beschreibt im Sinne der Erfindung ein Substrat, bevorzugt flächiges und/oder transparentes Substrat, mit einer periodischen Punktstruktur mit Strukturweiten im Mikro- und Submikrometerbereich, also im Bereich von 50 nm bis 50 µm. Diese Antireflexionseigenschaften kommen zustande, wenn die Abmessungen der erzeugten Struktur, also die Strukturperiode und Abmessung der einzelnen Zapfen, in Bereichen kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts liegen.A structured substrate with anti-reflection properties, here called anti-reflection glazing, describes a substrate, preferably flat and/or transparent substrate, with a periodic point structure with structure widths in the micrometer and submicrometer range, i.e. in the range from 50 nm to 50 μm. These antireflection properties come about when the dimensions of the structure produced, i.e. the structure period and dimensions of the individual cones, are in the ranges smaller than the wavelength of visible light.

Unter Reflexion versteht man in der Physik das Zurückwerfen von einer elektromagnetischen Welle an einer Grenzfläche von Materialien unterschiedlichen Brechungsindexes. Der Reflexionswinkel und der Transmissionswinkel von Licht in transparenten Substraten können allgemein über das Snelliussche Brechungsgesetz berechnet werden zu n 1 s i n δ 1 = n 2 s i n δ 2

Figure DE102021117204A1_0001
berechnet, wobei n1 und n2 den Brechungsindex von Luft und dem Substrat angeben und δ1 und δ2 jeweils die Winkel des einfallenden und reflektierten Strahls angeben.In physics, reflection is the reflection of an electromagnetic wave at an interface between materials with different refractive indices. The angle of reflection and the angle of transmission of light in transparent substrates can generally be calculated using Snell's law of refraction n 1 s i n δ 1 = n 2 s i n δ 2
Figure DE102021117204A1_0001
calculated, where n 1 and n 2 denote the refractive index of air and the substrate and δ 1 and δ 2 denote the angles of the incident and reflected beam, respectively.

Durch die periodische Punktstruktur auf der Oberfläche oder im Volumen des Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, verändert sich der Brechungsindex des Substrats in der Form, dass sich ein gradueller Brechungsindex ergibt. Das hat zur Folge, dass Licht mit Wellenlängen größer der Strukturperiode Λ der periodischen Punktstruktur vermehrt transmittiert wird. Licht mit Wellenlängen kleiner oder gleich der periodischen Punktstruktur wird an der Oberfläche gebeugt.Due to the periodic point structure on the surface or in the volume of the substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, the refractive index of the substrate changes in such a way that a gradual refractive index results. As a result, light with wavelengths greater than the structure period Λ of the periodic point structure is increasingly transmitted. Light with wavelengths shorter than or equal to the periodic point structure is diffracted at the surface.

Antireflexionseigenschaften bezeichnen im Sinne der Erfindung periodische Punktstrukturen, deren Abmessungen im Bereich der einfallenden elektromagnetischen Welle liegen, sodass die einfallende Welle derart vom Betrachter weggebeugt wird, dass keine Reflexion als „störend“ wahrgenommen wird. Zusätzlich umfasst der Begriff Antireflexionseigenschaften im Sinne der Erfindung auch, dass der Brechungsindex an der Grenze zwischen dem ersten Medium, zum Beispiel Luft, und dem Substrat, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrat, graduell ist, sodass für die einfallende elektromagnetische Welle kein klarer Übergang von einem Medium zum anderen vorhanden ist und die einfallende elektromagnetische Welle vermehrt transmittiert wird.For the purposes of the invention, anti-reflection properties refer to periodic point structures whose dimensions are in the range of the incident electromagnetic wave, so that the incident wave is deflected away by the viewer in such a way that no reflection is perceived as “disturbing”. In addition, the term anti-reflection properties within the meaning of the invention also includes that the refractive index is gradual at the boundary between the first medium, for example air, and the substrate, preferably flat and / or transparent substrate, so that there is no clear transition for the incident electromagnetic wave is present from one medium to another and the incident electromagnetic wave is increasingly transmitted.

Laserstrahlungsquelle (1)laser radiation source (1)

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer Laserstrahlungsquelle (1), die einen Laserstrahl emittiert. Das Strahlungsprofil des emittierten Laserstrahls entspricht entweder einem Gauß-Profil, oder einem Top-Hat-Profil, besonders bevorzugt einem Top-Hat-Profil. Das Top-Hat-Profil ist hilfreich, um eine zu strukturierende Oberfläche eines Substrates homogener zu strukturieren bzw. abzudecken.The device according to the invention consists of a laser radiation source (1) which emits a laser beam. The radiation profile of the emitted laser beam corresponds either to a Gaussian profile or to a top-hat profile, particularly preferably a top-hat profile. The top-hat profile is helpful for structuring or covering a surface of a substrate that is to be structured more homogeneously.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der Laserstrahlungsquelle (1) um eine Quelle, die einen gepulsten Laserstrahl erzeugt. Die Pulsweite der gepulsten Laserstrahlungsquelle liegt dabei beispielsweise im Bereich von 10 Nanosekunden bis 10 Femtosekunde, insbesondere 1 bis 200 Pikosekunden, ganz besonders bevorzugt 1 bis 20 Pikosekunden.In a particularly preferred embodiment, the laser radiation source (1) is a source that generates a pulsed laser beam. The pulse width of the pulsed laser radiation source is, for example, in the range from 10 nanoseconds to 10 femtoseconds, in particular 1 to 200 picoseconds, very particularly preferably 1 to 20 picoseconds.

Mit Laserstrahl oder Teilstrahl ist, wenn nicht ausdrücklich anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt (Gauß-Verteilungsprofil) aufweist.Unless expressly stated otherwise, laser beam or partial beam does not mean an idealized beam of geometric optics, but a real light beam, such as a laser beam that does not have an infinitesimally small, but an extended beam cross-section (Gaussian distribution profile).

Mit Top-Hat-Profil oder Top-Hat-Intensitätsverteilung ist eine Intensitätsverteilung gemeint, die sich zumindest hinsichtlich einer Richtung im Wesentlichen durch eine Rechteckfunktion (rect (x)) beschreiben lässt. Dabei sind reale Intensitätsverteilungen, die Abweichungen von einer Rechteckfunktion im Prozentbereich beziehungsweise geneigte Flanken aufweisen, ebenfalls als Top-Hat-Verteilung oder Top-Hat-Profil bezeichnet. Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung eines Top-Hat-Profils sind dem Fachmann bestens bekannt und bspw. in EP 2 663 892 beschrieben. Ebenso sind bereits optische Elemente zur Transformation des Intensitätsprofils eines Laserstrahls bekannt. Beispielsweise können mittels diffraktiven und/oder refraktiven Optiken Laserstrahlen mit gaußförmigem Intensitätsprofil in Laserstrahlen transformiert werden, welche in einer oder mehreren definierten Ebenen ein Top-Hat-förmiges Intensitätsprofil aufweisen, wie zum Beispiel ein Gauss-to-Top Hat Focus Beam Shaper der Firma TOPAG Lasertechnik GmbH, siehe z.B. DE102010005774A1 . Derartige Laserstrahlen mit Top-Hat-förmigem Intensitätsprofilen sind besonders attraktiv für die Lasermaterialbearbeitung, insbesondere bei der Verwendung von Laserpulsen, die kürzer als 50 ps sind, da mit der im Wesentlichen konstanten Energie- bzw. Leistungsdichte hierbei besonders gute und reproduzierbare Bearbeitungsergebnisse erzielt werden können.Top-hat profile or top-hat intensity distribution means an intensity distribution that can be described, at least with regard to one direction, essentially by a rectangular function (rect (x)). In this case, real intensity distributions which have deviations from a rectangular function in the percentage range or sloped flanks are also referred to as top-hat distributions or top-hat profiles. Methods and devices for generating a top-hat profile are well known to those skilled in the art and are described, for example, in EP 2 663 892. Likewise, optical elements for transforming the intensity profile of a laser beam are already known. For example, using diffractive and/or refractive optics, laser beams with a Gaussian intensity profile can be transformed into laser beams which have a top-hat-shaped intensity profile in one or more defined planes, such as a Gauss-to-Top Hat Focus Beam Shaper from TOPAG Lasertechnik GmbH, see e.g DE102010005774A1 . Such laser beams with top-hat-shaped intensity profiles are particularly attractive for laser material processing, especially when using laser pulses that are shorter than 50 ps, since particularly good and reproducible processing results can be achieved with the essentially constant energy or power density .

Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthaltene Laserstrahlungsquelle (1) kann eine Intensität von 0,01 bis 5 J/cm2, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 J/cm2, ganz besonders bevorzugt 0,1 bis 0,5 J/cm2. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist die Intensität der Laserstrahlungsquelle in einem Bereich flexibel wählbar. Der Strahldurchmesser spielt für das Erzeugen des Interferenzmusters auf dem Substrat, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrat, keine Rolle. Durch die bevorzugte Anordnung der optischen Elemente im Strahlengang des Lasers ist keine Einheit zur Kontrolle der Intensität des Laserstrahls notwendig.The laser radiation source (1) contained in the device according to the invention can have an intensity of 0.01 to 5 J/cm 2 , particularly preferably 0.1 to 2 J/cm 2 , very particularly preferably 0.1 to 0.5 J/cm 2 . With the device according to the invention, the intensity of the laser radiation source can be flexibly selected in a range. The beam diameter plays no role in generating the interference pattern on the substrate, preferably a flat and/or transparent substrate. Due to the preferred arrangement of the optical elements in the beam path of the laser, no unit for checking the intensity of the laser beam is required.

Als Laserstrahlungsquelle eignen sich beispielsweise UV-Laserstrahlquellen, Laserstrahlquellen (155 bis 355 nm), die grünes Licht (532 nm), Diodenlaser (typischerweise 800 bis 1000 nm) oder Laserstrahlquellen, die im nahen infrarot (typischerweise 1064 nm) Strahlung emittieren, insbesondere mit einer Wellenlänge im Bereich von 200 bis 650 nm Wellenlänge. Für die Mikroverarbeitung geeignete Laser sind dem Fachmann bekannt und umfassen beispielsweise HeNe-Laser, HeAg-Laser (ca. 224 nm), NeCu-Laser (ca. 249 nm), Nd:YAG Laser (ca. 355 nm).UV laser beam sources, laser beam sources (155 to 355 nm) that emit green light (532 nm), diode lasers (typically 800 to 1000 nm) or laser beam sources that emit radiation in the near infrared (typically 1064 nm), in particular with a wavelength in the range of 200 to 650 nm wavelength. Lasers suitable for microprocessing are known to those skilled in the art and include, for example, HeNe lasers, HeAg lasers (ca. 224 nm), NeCu lasers (ca. 249 nm), Nd:YAG lasers (ca. 355 nm).

Optische Elementeoptical elements

Die vorliegende Erfindung umfasst eine Anzahl an optischen Elementen. Bei diesen Elementen handelt es sich um Prismen und Linsen.The present invention includes a number of optical elements. These elements are prisms and lenses.

Diese Linsen können refraktiv oder diffraktiv sein. Es können sphärische, asphärische oder zylindrische Linsen verwendet werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden zylindrische Linsen verwendet. Dadurch ist es möglich, die Überlappungsbereiche der Teilstrahlen (hierin auch als Interferenzpixel bezeichnet) in eine Raumrichtung zu komprimieren und in eine andere zu strecken. Wenn die Linsen nicht sphärisch/asphärisch sind, sondern zylindrisch, hat dies den Vorteil, dass die Strahlen zugleich verformt werden können. Dadurch kann der Bearbeitungsspot (d.h. das auf dem Substrat erzeugte Interferenzmuster) von einem Punkt zu einer Linie verformt werden, die das Interferenzmuster enthält. Mit ausreichender Energie des Lasers kann diese Linie bis zu 10-15 mm lang sein (und ca. 100 µm dick sein).These lenses can be refractive or diffractive. Spherical, aspherical or cylindrical lenses can be used. In a preferred embodiment, cylindrical lenses are used. This makes it possible to compress the overlapping areas of the partial beams (herein also referred to as interference pixels) in one spatial direction and to stretch them in another. If the lenses are not spherical/aspherical, but cylindrical, this has the advantage that the rays can be deformed at the same time. This allows the processing spot (i.e. the interference pattern created on the substrate) to be deformed from a point to a line containing the interference pattern. With sufficient energy from the laser, this line can be up to 10-15 mm long (and about 100 µm thick).

Des Weiteren können Spatial Light Modulators (SLM) zur Strahlformung eingesetzt werden. Dem Fachmann ist die Verwendung von SLMs zur räumlichen Modulation der Phase oder der Intensität oder der Phase und Intensität eines einfallenden Lichtstrahls bekannt. Die Anwendung von Liquid Crystal on Silicon (LCoS)-SLM zur Strahlteilung ist in der Literatur beschrieben und auch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung denkbar. Darüber hinaus können SLMs auch zur Fokussierung der Teilstrahlen auf dem Substrat verwendet werden. Die Ansteuerung eines solchen SLMs kann optisch, elektronisch, oder akustisch erfolgen.Furthermore, Spatial Light Modulators (SLM) can be used for beam shaping. It is known to those skilled in the art to use SLMs to spatially modulate the phase, or the intensity, or both the phase and intensity, of an incident light beam. The use of Liquid Crystal on Silicon (LCoS)-SLM for beam splitting is described in the literature and is also conceivable in the device according to the invention. In addition, SLMs can also be used to focus the partial beams on the substrate. Such an SLM can be controlled optically, electronically or acoustically.

Alle im Folgenden erläuterten optischen Elemente sind im Strahlengang (3) des Lasers angeordnet. Im Sinne der Erfindung bezeichnet der Strahlengang des Lasers den Verlauf sowohl des von der Laserstrahlungsquelle emittierten Laserstrahls als auch den Verlauf der durch ein Strahlteilerelement aufgeteilten Teilstrahlen. Als optische Achse des Strahlengangs (3) wird jedoch die optische Achse des von der Laserstrahlungsquelle (1) emittierten Laserstrahls verstanden. Sofern nicht anders erläutert, sind alle optischen Elemente senkrecht zur optischen Achse des Strahlengangs (3) angeordnet.All of the optical elements explained below are arranged in the beam path (3) of the laser. For the purposes of the invention, the beam path of the laser designates the course of both the laser beam emitted by the laser radiation source and the course of the partial beams divided by a beam splitter element. However, the optical axis of the laser beam emitted by the laser radiation source (1) is understood to be the optical axis of the beam path (3). Unless otherwise explained, all optical elements are arranged perpendicularly to the optical axis of the beam path (3).

Strahlteilerelement (2)beam splitter element (2)

Im Strahlengang (3) des Lasers, hinter der Laserstrahlungsquelle (1), befindet sich ein Strahlteilerelement (2). Das Strahlteilerelement (2) kann ein diffraktives oder ein refraktives Strahlteilerelement sein. Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein diffraktives Strahlteilerelement ein optisches Element, welches Mikro- oder Nanostrukturen enthält. Ein refraktives Strahlteilerelement bezeichnet im Sinne der Erfindung ein transparentes optisches Element, wie z. B. ein Prisma.A beam splitter element (2) is located in the beam path (3) of the laser, behind the laser radiation source (1). The beam splitter element (2) can be a diffractive or a refractive beam splitter element. For the purposes of the invention, a diffractive beam splitter element refers to an optical element that contains microstructures or nanostructures. a refrac tive beam splitter element referred to in the context of the invention, a transparent optical element such. B. a prism.

Das Strahlteilerelement (2) teilt den emittierten Laserstrahl in zumindest 3, vorzugsweise zumindest 4, insbesondere 4 bis 8, also 4, 5, 6, 7, oder 8 Teilstrahlen auf.The beam splitter element (2) splits the emitted laser beam into at least 3, preferably at least 4, in particular 4 to 8, ie 4, 5, 6, 7 or 8 partial beams.

Das Strahlteilerelement (2) ist entlang seiner optischen Achse frei beweglich. D. h., es kann entlang seiner optischen Achse auf die Laserstrahlungsquelle zu oder von ihr wegbewegt werden. Durch die Bewegung des Strahlteilerelements (2) verändert sich die Aufweitung der zumindest 3 Teilstrahlen, sodass diese mit unterschiedlichen Abständen zueinander auf ein Fokussierelement auftreffen. Dadurch kann der Winkel θ, in dem die Teilstrahlen auf das Substrat (5), bevorzugt flächiges und/oder transparentes Substrat, auftreffen, verändert werden. Somit ergibt sich bei einer Überlagerung von vier Teilstrahlen eine nahtlose Änderung der Strukturperiode Λ zu Λ = λ 2 s i n θ

Figure DE102021117204A1_0002
wobei λ die Wellenlänge des emittierten Laserstrahls ist.The beam splitter element (2) can move freely along its optical axis. That is, it can be moved towards or away from the laser radiation source along its optical axis. The movement of the beam splitter element (2) changes the widening of the at least 3 partial beams, so that they impinge on a focusing element at different distances from one another. As a result, the angle θ at which the partial beams impinge on the substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate, can be changed. Thus, when four partial beams are superimposed, the structure period Λ changes seamlessly Λ = λ 2 s i n θ
Figure DE102021117204A1_0002
where λ is the wavelength of the emitted laser beam.

Das Unterteilen des Laserstrahls im Strahlteilerelement (2) kann sowohl durch ein teilweise reflektives Strahlteilerelement, beispielsweise einen halbdurchlässigen Spiegel, als auch ein transmissives Strahlteilerelement, beispielsweise ein dichroitisches Prisma, erfolgen.The laser beam can be subdivided in the beam splitter element (2) both by a partially reflective beam splitter element, for example a semitransparent mirror, and by a transmissive beam splitter element, for example a dichroic prism.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind dem Strahlteilerelement (2) weitere Strahlteilerelemente im Strahlengang des Lasers nachgeordnet. Diese Strahlteilerelemente sind derart angeordnet, dass sie jeden der zumindest drei Teilstrahlen in zumindest zwei weitere Teilstrahlen aufteilen. Dadurch kann eine höhere Anzahl an Teilstrahlen erzeugt werden, die auf das Substrat, bevorzugt flächige und/oder transparente Substrat, gelenkt werden, sodass sie auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats interferieren. Dadurch kann die Strukturperiode des Interferenzmusters eingestellt werden.In a preferred embodiment, the beam splitter element (2) is followed by further beam splitter elements in the beam path of the laser. These beam splitter elements are arranged in such a way that they split each of the at least three partial beams into at least two further partial beams. As a result, a higher number of partial beams can be generated, which are directed onto the substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, so that they interfere on the surface or inside the substrate. This allows the structure period of the interference pattern to be adjusted.

Fokussierelement (4)focusing element (4)

Des Weiteren ist im Strahlengang (3) des Lasers dem Strahlteilerelement (2) nachgeordnet ein Fokussierelement (4) angeordnet, das derart eingerichtet ist, dass es die Teilstrahlen derart durchlaufen, dass die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren eines zu strukturierenden Substrats (5) in einem Interferenzbereich interferieren. Das Fokussierelement (4) fokussiert die zumindest drei Teilstrahlen in einer Raumrichtung, ohne die zumindest drei Teilstrahlen in der Raumrichtung senkrecht dazu zu fokussieren. Beispielsweise kann das Fokussierelement (4) eine fokussierende optische Linse sein. Unter fokussieren versteht man im Sinne der Erfindung das Bündeln der zumindest drei Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren eines Substrates, bevorzugt eines flächigen und/oder transparenten Substrates.Furthermore, a focusing element (4) is arranged in the beam path (3) of the laser, downstream of the beam splitter element (2), which is set up in such a way that the partial beams pass through it in such a way that the partial beams are on the surface or inside a substrate (5 ) interfere in an interference area. The focusing element (4) focuses the at least three partial beams in one spatial direction without focusing the at least three partial beams in the spatial direction perpendicular thereto. For example, the focusing element (4) can be a focusing optical lens. Within the meaning of the invention, focusing is understood as meaning the bundling of the at least three partial beams on the surface or in the interior of a substrate, preferably a flat and/or transparent substrate.

Das Fokussierelement (4) kann im Strahlengang (3) frei beweglich sein. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Fokussierelement (4) im Strahlengang bzw. entlang der optischen Achse fixiert.The focusing element (4) can be freely movable in the beam path (3). According to a preferred embodiment of the present invention, the focusing element (4) is fixed in the beam path or along the optical axis.

Es versteht sich, dass die hierin definierten optischen Elemente bspw. zur Strahlteilung und zur Ausrichtung der Teilstrahlen in Richtung auf ein entsprechend zu strukturierendes Substrat in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein können.It goes without saying that the optical elements defined herein, for example for beam splitting and for aligning the partial beams in the direction of a substrate to be correspondingly structured, can be arranged in a common housing.

In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Fokussierelement (4) um eine sphärische Linse. Die sphärische Linse ist derart eingerichtet, dass sie die einfallenden zumindest drei Teilstrahlen derart durchlaufen, dass sie auf der Oberfläche oder im Inneren des zu strukturierenden Substrats (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, in einem Interferenzbereich interferieren. Die Weite des Interferenzbereichs beträgt vorzugsweise 1 bis 600 µm, besonders bevorzugt 10 bis 400 µm, ganz besonders bevorzugt 20 bis 200 µm. Hierdurch kann zugleich eine hohe Strukturierungsrate, beispielsweise wie hierin definiert, eingestellt werden.In a preferred embodiment, the focusing element (4) is a spherical lens. The spherical lens is set up in such a way that the incident at least three partial beams pass through them in such a way that they interfere in an interference region on the surface or inside the substrate (5) to be structured, preferably a flat and/or transparent substrate. The width of the interference range is preferably 1 to 600 μm, particularly preferably 10 to 400 μm, very particularly preferably 20 to 200 μm. In this way, a high structuring rate, for example as defined herein, can be set at the same time.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Fokussierelement (4) um eine zylindrische Linse. Die zylindrische Linse ist derart eingerichtet, dass der Bereich, in dem sich die zumindest drei Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, überlagern, in eine Raumrichtung gedehnt wird. Dadurch nimmt der Bereich des Substrats, auf dem das Interferenzmuster erzeugt werden kann, eine elliptische Form an. Die große Halbachse dieser Ellipse kann eine Länge von 20 µm bis 15 mm erreichen. Damit vergrößert sich der in einer Bestrahlung strukturierbare Bereich.In a particularly preferred embodiment, the focusing element (4) is a cylindrical lens. The cylindrical lens is set up in such a way that the area in which the at least three partial beams overlap on the surface or inside the substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate, is stretched in one spatial direction. As a result, the area of the substrate on which the interference pattern can be generated assumes an elliptical shape. The semimajor axis of this ellipse can reach a length of 20 µm to 15 mm. This increases the area that can be structured in one irradiation.

Erstes Umlenkelement (7)First deflection element (7)

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung befindet sich vor dem Fokussierelement (4) und nach dem Strahlteilerelement (2) angeordnet ein Umlenkelement (7), das vorzugsweise im Strahlengang (3) des Lasers angeordnet ist. Dieses Umlenkelement (7) wird zum Aufweiten der Abstände zwischen den zumindest drei Teilstrahlen genutzt und kann damit ebenfalls den Winkel, in dem die Teilstrahlen auf das Substrat (5), bevorzugt flächiges und/oder transparentes Substrat, auftreffen, verändern. Es ist derart eingerichtet, dass es die Divergenz der zumindest drei Teilstrahlen erhöht und damit den Bereich, in dem die zumindest drei Teilstrahlen interferieren, entlang der optischen Achse des Strahlengangs (3) von der Laserstrahlungsquelle (1) wegzubewegen.In a particularly preferred embodiment, a deflection element (7) is located in front of the focusing element (4) and after the beam splitter element (2), which is preferably arranged in the beam path (3) of the laser. This deflection element (7) is used to widen the distances between the at least three partial beams used and can thus also change the angle at which the partial beams impinge on the substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate. It is set up in such a way that it increases the divergence of the at least three partial beams and thus moves the area in which the at least three partial beams interfere along the optical axis of the beam path (3) away from the laser radiation source (1).

Unter Aufweiten der Abstände zwischen den zumindest drei Teilstrahlen wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass sich der Winkel der jeweiligen Teilstrahlen zur optischen Achse des von der Laserstrahlungsquelle (1) emittierten Laserstrahls vergrößert.In the context of the invention, widening the distances between the at least three partial beams means that the angle of the respective partial beams to the optical axis of the laser beam emitted by the laser radiation source (1) increases.

Das Aufweiten und die dadurch erfolgende Umlenkung der Teilstrahlen hat den Vorteil, dass die Teilstrahlen durch das Fokussierelement (4) stärker gebündelt werden können. Somit ergibt sich eine höhere Intensität in dem Bereich, in dem die zumindest drei Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, interferieren.The widening and the resulting deflection of the partial beams has the advantage that the partial beams can be bundled more strongly by the focusing element (4). This results in a higher intensity in the area in which the at least three partial beams interfere on the surface or in the interior of the substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate.

Durch die geeignete Wahl des Umlenkelements kann auf eine Einheit zur Kontrolle der Intensität des Laserstrahls verzichtet werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung wird ein Umlenkelement (7) verwendet, dass durch die Aufweitung der zumindest drei Teilstrahlen das Fokussieren der zumindest drei Teilstrahlen auf dem Substrat (5) mittels eines Fokussierelements (4) erlaubt, wobei die Intensität der Interferenzpunkte auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, ohne eine zusätzliche Einstellung der Intensität der Laserstrahlungsquelle (1) erreicht werden kann. Dies hat den Vorteil, dass zur Strukturierung des Substrates unter Erzeugen der periodischen Punktstruktur auch Laserstrahlungsquellen mit niedriger Intensität (Leistung pro Fläche) genutzt werden können, wodurch die optischen Elemente vor Verschleiß geschützt sind.A unit for controlling the intensity of the laser beam can be dispensed with by suitably selecting the deflection element. In a preferred embodiment of the device, a deflection element (7) is used which, by expanding the at least three partial beams, allows the at least three partial beams to be focused on the substrate (5) by means of a focusing element (4), the intensity of the interference points on the surface or inside the substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, without additional adjustment of the intensity of the laser radiation source (1). This has the advantage that laser radiation sources with low intensity (power per area) can also be used to structure the substrate while generating the periodic point structure, as a result of which the optical elements are protected from wear.

Weiteres Umlenkelement (6)Additional deflection element (6)

Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass im Strahlengang (3) der Laserstrahlungsquelle (1) dem Strahlteilerelement (3) nachgeordnet ein weiteres Umlenkelement (6) angeordnet ist, das die Teilstrahlen derart umlenkt, dass sie nach Austritt aus dem weiteren Umlenkelement (6) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dadurch kann die Vorrichtung derart eingerichtet sein, dass der Bearbeitungspunkt, also der Punkt in dem die zumindest drei Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, interferieren, bei Verschiebung des Strahlteilerelements im Strahlengang des Lasers entlang seiner optischen Achse konstant bleibt.Provision can also be made for a further deflection element (6) to be arranged downstream of the beam splitter element (3) in the beam path (3) of the laser radiation source (1), which deflects the partial beams in such a way that, after exiting the further deflection element (6), they Substantially parallel to each other. As a result, the device can be set up in such a way that the processing point, i.e. the point at which the at least three partial beams on the surface or in the interior of the substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, interfere when the beam splitter element is displaced in the beam path of the laser along its optical axis remains constant.

Das weitere Umlenkelement (6) kann eine konventionelle, refraktive Linse sein. Alternativ kann das weitere Umlenkelement (6) aber auch als diffraktive Linse (z. B. Fresnel-Linse) ausgestaltet sein. Diffraktive Linsen haben den Vorteil, dass diese wesentlich dünner und leichter sind, was eine Miniaturisierung der hierin offenbarten Vorrichtung vereinfacht.The further deflection element (6) can be a conventional, refractive lens. Alternatively, the further deflection element (6) can also be designed as a diffractive lens (e.g. Fresnel lens). Diffractive lenses have the advantage that they are significantly thinner and lighter, which simplifies miniaturization of the device disclosed herein.

Durch geeignete Auswahl der Brechungsindices der optischen Elemente (4), (6) und (7) können die Abstände zwischen optischen Elementen und Substrat, sowie die Strukturperiode Λ eingestellt werden. Alle optischen Elemente mit Ausnahme des Strahlteilerelements (2) können vorzugsweise innerhalb des Strahlengangs (3) des Lasers fixiert sein. Diese besonders bevorzugte Ausführungsform bietet daher den Vorteil, dass zur Anpassung des Interferenzbereichs oder des Interferenzwinkels lediglich ein Element, nämlich das Strahlteilerelement (2), bewegt werden muss. Das erspart Arbeitsschritte bei der Einrichtung der Vorrichtung, wie Kalibrierung der Vorrichtung auf die gewünschte Strukturperiode. Des Weiteren beugt eine fixe Einstellung, d.h. wobei vorzugsweise alle optischen Elemente innerhalb des Strahlengangs (3) des Lasers fixiert sind, der optischen Elemente deren Verschleiß vor.The distances between the optical elements and the substrate, as well as the structure period Λ, can be set by suitably selecting the refractive indices of the optical elements (4), (6) and (7). All optical elements with the exception of the beam splitter element (2) can preferably be fixed within the beam path (3) of the laser. This particularly preferred embodiment therefore offers the advantage that only one element, namely the beam splitter element (2), has to be moved to adjust the interference range or the interference angle. This saves work steps when setting up the device, such as calibrating the device to the desired structure period. Furthermore, a fixed setting, i.e. with preferably all optical elements within the beam path (3) of the laser being fixed, prevents the optical elements from wearing out.

Polarisationselement (8)polarizing element (8)

In einer weiteren Ausführungsform befindet sich hinter dem Umlenkelement, besonders bevorzugt in einem Aufbau mit zwei Umlenkelementen (6), (7) hinter dem weiteren Umlenkelement (6), und vor dem Fokussierelement (4) in jedem der Strahlengänge der zumindest 3 Teilstrahlen je ein Polarisationselement (8). Die Polarisationselemente können die Polarisation der Teilstrahlen zueinander modifizieren. Dadurch lässt sich das resultierende Interferenzmuster, das die zumindest 3 Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Volumen eines Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, abbilden, modifizieren.In a further embodiment, one is located behind the deflection element, particularly preferably in a structure with two deflection elements (6), (7) behind the further deflection element (6) and in front of the focusing element (4) in each of the beam paths of the at least 3 partial beams polarization element (8). The polarization elements can modify the polarization of the partial beams relative to one another. As a result, the resulting interference pattern, which the at least 3 partial beams image on the surface or in the volume of a substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, can be modified.

Optisches Element zur StrahlformungOptical element for beam shaping

In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Laserstrahlungsquelle (1) ein Strahlungsprofil, das einem Gauß-Profil, wie oben beschrieben, entspricht. In einer solchen Ausführungsform kann sich hinter der Laserstrahlungsquelle (1) und vor dem Strahlteilerelement (2) ein weiteres optisches Element zur Strahlformung befinden. Dieses Element dient dazu, das Strahlungsprofil der Laserstrahlungsquelle einem Top-Hat-Profil anzugleichen.In a further embodiment, the laser radiation source (1) has a radiation profile that corresponds to a Gaussian profile, as described above. In such an embodiment, another optical element for beam shaping can be located behind the laser radiation source (1) and in front of the beam splitter element (2). This element serves to adapt the radiation profile of the laser radiation source to a top-hat profile.

Es kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch ein optisches Element mit einer konkav parabolisch oder planar reflektierenden Oberfläche vorgesehen sein, wobei das optische Element beispielsweise um mindestens eine Achse drehbar oder entlang des Strahlengangs (3) verschiebbar ausgebildet ist. Hierdurch kann gegebenenfalls auf ein zusätzliches im Strahlengang (3) positioniertes Fokussierelement (4) bzw. ein weiteres Umlenkelement (6) verzichtet werden. Beispielsweise können durch dieses optische Element Laserstrahlen oder Teillaserstrahlen auf die Oberfläche des Fokussierelements (4) oder ein weiteres fokussierendes optisches Element gerichtet werden, bevor die Strahlen zur Ausbildung von Strukturelementen das zu strukturierende Substrat erreichen.An optical element with a concave, parabolic or planar reflecting surface can also be provided in the device according to the invention, the optical element being designed to be rotatable about at least one axis or displaceable along the beam path (3). As a result, an additional focusing element (4) or a further deflection element (6) positioned in the beam path (3) can be dispensed with. For example, this optical element can be used to direct laser beams or partial laser beams onto the surface of the focusing element (4) or another focusing optical element before the beams for forming structural elements reach the substrate to be structured.

Alternativ kann beispielsweise auch zumindest ein optisches Element mit einer konkav parabolisch oder planar reflektierenden Oberfläche vorgesehen sein, welches beispielsweise um mindestens eine Achse drehbar oder entlang des Strahlengangs (3) verschiebbar ausgebildet ist, wobei dieses optische Element dem ersten Umlenkelement (7) und dem weiteren Umlenkelement (6) im Strahlengang nachgeordnet positioniert ist. So können beispielsweise die Teilstrahlen im Strahlengang umgelenkt werden (Umlenkspiegel) oder derart im Strahlengang fokussiert werden, dass das zu strukturierende Substrat während der Bearbeitung ortsfest positioniert sein kann (sog. Fokussierspiegel bzw. Galvo-Spiegel (Laserscanner) (9)).Alternatively, for example, at least one optical element with a concave, parabolic or planar reflecting surface can be provided, which is designed to be rotatable about at least one axis or displaceable along the beam path (3), for example, with this optical element being assigned to the first deflection element (7) and the other Deflection element (6) is positioned downstream in the beam path. For example, the partial beams can be deflected in the beam path (deflection mirror) or focused in the beam path in such a way that the substrate to be structured can be stationary during processing (so-called focusing mirror or galvo mirror (laser scanner) (9)).

Haltevorrichtung für das SubstratHolding device for the substrate

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Substrat (5), bevorzugt flächige und/oder transparente Substrat, in der xy-Ebene beweglich. Durch Bewegung des Substrats (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, in der xy-Ebene kann eine flächige Bearbeitung mittels Laserinterferenzstrukturierung gewährleistet werden. Dabei wird in jedem Bearbeitungsschritt (d.h. Laserpuls, der auf das zu strukturierende Substrat trifft) ein sogenannter Interferenzpixel erzeugt, der eine Größe D abhängig vom Einfallswinkel und der Intensitätsverteilung des Laserstrahls, sowie den Fokussierungseigenschaften der optischen Elemente besitzt. Der Abstand zwischen den verschiedenen Interferenzpixeln, die Pixeldichte Pd, wird durch die Wiederholrate der Laserstrahlungsquelle (1) bestimmt. Ist die Pixeldichte Pd kleiner als die Größe der Interferenzpixel D, so ist eine flächige, homogene Bearbeitung möglich.In a further embodiment, the substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate, can be moved in the xy plane. By moving the substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate, in the xy plane, flat processing can be ensured by means of laser interference structuring. In each processing step (i.e. laser pulse that hits the substrate to be structured), a so-called interference pixel is generated, which has a size D depending on the angle of incidence and the intensity distribution of the laser beam, as well as the focusing properties of the optical elements. The distance between the different interference pixels, the pixel density Pd, is determined by the repetition rate of the laser radiation source (1). If the pixel density Pd is smaller than the size of the interference pixels D, a two-dimensional, homogeneous processing is possible.

Verfahrenprocedure

Von der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, mit einer periodischen Punktstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich mittels Laserinterferenzstrukturierung mitumfasst.The present invention also includes a method for producing a substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, with a periodic point structure in the micrometer or submicrometer range by means of laser interference structuring.

Im Sinne der Erfindung umfasst das Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, mit einer periodischen Punktstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich mittels Laserinterferenzstrukturierung, die folgenden Schritte:

  • Es wird ein Substrat (5), bevorzugt flächiges und/oder transparentes Substrat, bereitgestellt, welches sich auf einer Haltevorrichtung befindet. Von einer Laserstrahlungsquelle (1) wird ein Laserstrahl emittiert. Der Laserstrahl wird durch ein Strahlteilerelement (2) und zumindest drei, besonders bevorzugt vier Teilstrahlen geteilt. Die Teilstrahlen treffen auf ein Fokussierelement (4) auf, welches die zumindest drei, besonders bevorzugt vier Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, fokussiert (bündelt), sodass die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats konstruktiv und destruktiv interferieren. Somit wird eine periodische Punktstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, durch Laserinterferenzbearbeitung erzeugt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest drei Teilstrahlen so überlagert werden, dass ein 2D-Muster entsteht.
According to the invention, the method for producing a structured substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, with a periodic point structure in the micrometer or submicrometer range by means of laser interference structuring, comprises the following steps:
  • A substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate, is provided, which is located on a holding device. A laser beam is emitted from a laser radiation source (1). The laser beam is divided by a beam splitter element (2) and at least three, particularly preferably four, partial beams. The partial beams impinge on a focusing element (4), which focuses (bundles) the at least three, particularly preferably four, partial beams on the surface or inside the substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate, so that the partial beams on the Interfere constructively and destructively on the surface or inside the substrate. A periodic point structure in the micrometer or submicrometer range is thus produced on the surface or inside the substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate, by laser interference processing. The method is characterized in that the at least three partial beams are superimposed in such a way that a 2D pattern is created.

Dabei sind die so erzeugten Punktstrukturen in Form als periodisch angeordnete, inverse Zapfen ausgebildet, wobei der Abstand zwischen den Scheitelpunkt (d.h. Höhenmittelpunkt oder Zentren der Erhebungen) im statistischen Mittel im Bereich von 50 nm bis 50 µm, bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 20 µm angeordnet sind, mehr bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 1.000 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 600 nm.The point structures produced in this way are in the form of periodically arranged, inverse cones, with the distance between the vertices (i.e. midpoint of height or centers of the elevations) being on average in the range from 50 nm to 50 µm, preferably in the range from 50 nm to 20 μm are arranged, more preferably in the range from 100 nm to 1000 nm, particularly preferably in the range from 100 nm to 600 nm.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben darüber hinaus herausgefunden, dass neben der Periodizität auch die Strukturtiefe (d.h. die Tiefe der inversen Zapfen, gemessen von deren Sattelpunkt der Vertiefung bis zum Scheitelpunkt) einen Einfluss auf die Antireflexionseigenschaften (wie hierin definiert) haben. Beispielsweise liegt die Strukturtiefe bzw. Profiltiefe der inversen Zapfen (Erhebungen und Vertiefungen) im statistischen Mittel im Bereich von 5 nm bis 100 nm, bevorzugt im Bereich von 5 nm bis 75 nm.The inventors of the present invention have also found that, in addition to the periodicity, the structure depth (i.e. the depth of the inverse cones, measured from the saddle point of the recess to the apex) has an influence on the antireflection properties (as defined herein). For example, the structural depth or profile depth of the inverse cones (elevations and depressions) is on average in the range from 5 nm to 100 nm, preferably in the range from 5 nm to 75 nm.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen die inversen Zapfen eine Strukturtiefe im Bereich von 5 nm bis 200 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 5 nm bis 150 nm, ganz besonders bevorzugt 10 nm bis 100 nm auf.According to a preferred embodiment of the present invention, the inverse pegs have a structure depth in the range from 5 nm to 200 nm, particularly preferably in the range from 5 nm to 150 nm, very particularly preferably 10 nm to 100 nm.

Bevorzugt wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Substrats (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, genutzt, die zwei Umlenkelemente (6), (7) umfasst. Die Umlenkelemente (6), (7) sind im Strahlengang (3) des Lasers zwischen dem Strahlteilerelement (2) und dem Fokussierelement (4) angeordnet. Die Umlenkelemente (6), (7) dienen zur Aufweitung des Diffraktionswinkels der zumindest drei, besonders bevorzugt vier Teilstrahlen, in dem sie auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, interferieren. Durch die Einstellung der Abstände der optischen Elemente kann gewährleistet werden, dass zur Veränderung der Strukturperiode lediglich das Strahlteilerelement (2) entlang seiner optischen Achse beweglich sein muss. Dies ermöglicht leichtere Einstellprozesse während der Bearbeitung.A device for producing a structured substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate, is preferably used, which comprises two deflection elements (6), (7). The deflection elements (6), (7) are arranged in the beam path (3) of the laser between the beam splitter element (2) and the focusing element (4). The deflection elements (6), (7) are used to widen the diffraction angle of the at least three, particularly preferably four, partial beams by interfering on the surface or inside the substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate. Adjusting the distances between the optical elements can ensure that only the beam splitter element (2) has to be movable along its optical axis in order to change the structure period. This enables easier adjustment processes during machining.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als flächiges Substrat ein transparentes Material zur Verfügung gestellt. Durch die Lichtdurchlässigkeit des transparenten Materials ist eine Laserinterferenzbearbeitung, vorzugsweise mit einer Ausführungsform der oben genannten Vorrichtung im Innern des Substrats möglich.In a particularly preferred embodiment, a transparent material is provided as the planar substrate. Due to the transparency of the transparent material, laser interference processing is possible, preferably with an embodiment of the above-mentioned device inside the substrate.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, genutzt, die eine gepulste Laserstrahlungsquelle (1) verwendet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, genutzt, die über eine Haltevorrichtung für das Substrat verfügt, die in der xy-Ebene, senkrecht zum Strahlengang (3) des von der Laserstrahlungsquelle (1) emittierten Laserstrahls frei beweglich ist.In a preferred embodiment, a device for producing a structured substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, is used, which uses a pulsed laser radiation source (1). In a particularly preferred embodiment, a device for producing a structured substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, is used, which has a holding device for the substrate that is in the xy plane, perpendicular to the beam path (3) of the laser radiation source (1) emitted laser beam can move freely.

Über die Frequenz der Laserstrahlungsquelle (1), f, und die Geschwindigkeit der Bewegung der Haltevorrichtung, v, lässt sich die Pixeldichte Pd, also der Abstand in der ein Interferenzpixel mit der Weite D auf dem Substrat, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrat, aufgebracht werden kann, einstellen zu: P d = v ƒ

Figure DE102021117204A1_0003
Ist die Weite des Interferenzpixels, D, größer als die Pixeldichte Pd, so überlagern sich benachbarte Interferenzpixel in einem Bereich. Dieser Bereich ist dem Fachmann als Pulsüberlapp, OV, bekannt. Er kann berechnet werden zu: O V = ( D P d ) D
Figure DE102021117204A1_0004
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist bei dem Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, Pd kleiner als D. Der dadurch entstehende Pulsüberlapp OV führt zu einer Mehrfachbestrahlung des Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats. Bevorzugt können so nicht-texturierte Flächen vermieden werden.Via the frequency of the laser radiation source (1), f, and the speed of movement of the holding device, v, the pixel density Pd, i.e. the distance at which an interference pixel with the width D on the substrate, preferably flat and/or transparent substrate, can be applied, set to: P i.e = v ƒ
Figure DE102021117204A1_0003
If the width of the interference pixel, D, is greater than the pixel density Pd, neighboring interference pixels overlap in one area. This range is known to those skilled in the art as pulse overlap, OV. It can be calculated to: O V = ( D P i.e ) D
Figure DE102021117204A1_0004
In a preferred embodiment, in the method for producing a structured substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, Pd is less than D. The resulting pulse overlap OV leads to multiple irradiation of the substrate, preferably a flat and/or transparent substrate. In this way, non-textured surfaces can preferably be avoided.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden bei dem Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats dieselben Interferenzpixel mehrfach bestrahlt. Dadurch ist es möglich, die Tiefe der entstandenen Mikrostrukturen zu erhöhen.In a particularly preferred embodiment, the same interference pixels are irradiated multiple times in the method for producing a structured substrate, preferably a flat and/or transparent substrate. This makes it possible to increase the depth of the resulting microstructures.

Der Vorteil eines durch ein solches Verfahren erzeugten strukturierten Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats ist die hohe Regelmäßigkeit der erzeugten periodischen Punktstrukturen mit Strukturabmessungen im Mikro- oder Submikrometerbereich. Eine so erzeugte periodische Punktstruktur mit Abmessungen im Mikro- oder Submikrometerbereich hat vorzugsweise einen Variationskoeffizienten (ein Wert, der sich aus der Teilung der Standardabweichung durch den Durchschnittswert ergibt) des Zapfenquerschnitts von 15% oder weniger, mehr bevorzugt 10% oder weniger, noch mehr bevorzugt 5% oder weniger.The advantage of a structured substrate produced by such a method, preferably a flat and/or transparent substrate, is the high level of regularity of the periodic point structures produced with structure dimensions in the micrometer or submicrometer range. A periodic point structure thus produced with dimensions in the micron or submicron range preferably has a coefficient of variation (a value obtained by dividing the standard deviation by the average value) of the pin cross-section of 15% or less, more preferably 10% or less, even more preferably 5% or less.

Eine Verschiebung des zu strukturierenden Substrates, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, im Laserstrahl ist aufgrund der relativ großen dabei bewegten Massen vergleichsweise aufwändig und langsam. Es ist daher vorteilhaft das Substrat, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats während der Bearbeitung ortsfest vorzusehen und die flächige Strukturierung des Substrates dadurch zu realisieren, dass die Fokussierung der Teilstrahlen auf die Oberfläche oder das Volumen des Substrats durch Manipulation der Laserteilstrahlen mit optischen Elementen (Fokussierspiegel bzw. Galvo-Spiegel (Laserscanner)) in Strahlrichtung bewirkt wird. Da die dabei bewegten Massen relativ klein sind, ist dies mit weit geringerem Aufwand bzw. viel schneller möglich. Vorzugsweise ist das Substrat während des Verfahrens ortsfest angeordnet.Shifting the substrate to be structured, preferably a flat and/or transparent substrate, in the laser beam is comparatively complex and slow due to the relatively large masses being moved. It is therefore advantageous to provide the substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, in a stationary manner during processing and to implement the flat structuring of the substrate by focusing the partial beams on the surface or the volume of the substrate by manipulating the partial laser beams with optical elements ( Focusing mirror or galvo mirror (laser scanner)) is effected in the beam direction. Since the masses moved are relatively small, this can be done with far less effort and much faster. Preferably, the substrate is stationary during the process.

Die flächige Strukturierung des Substrates ist selbstverständlich grundsätzlich auch durch eine Verschiebung des Substrates im Laserstrahl möglich.The planar structuring of the substrate is, of course, basically also possible by shifting the substrate in the laser beam.

Durch die mittels des hierin offenbarten Verfahrens und der Vorrichtung erzeugten periodischen Strukturen im Mikro- und/oder Nanometerbereich weist das derart strukturierte Substrat Antireflexionseigenschaften auf. Dies wird dadurch gewährleistet, dass Licht, das auf das Substrat eintrifft, weniger reflektiert bzw. unter einem so flachen Winkel reflektiert, dass es bei normaler Betrachtung der Materialoberfläche nicht „störend“ wirkt.By the periodic generated by the method and apparatus disclosed herein The substrate structured in this way has antireflection properties in the micrometer and/or nanometer range. This is ensured by the fact that light that hits the substrate is reflected less or is reflected at such a shallow angle that it is not "disturbing" when the material surface is viewed normally.

Von der Erfindung ist daher auch ein strukturiertes Substrat mit Antireflexionseigenschaften erfasst, das eine periodische Punktstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich umfasst, wobei die periodische Punktstruktur aus inversen Zapfen gebildet ist, wobei die inversen Zapfen periodisch mit einem Abstand bezogen auf deren Sattelpunkt bzw. Mittelpunkt im Bereich von 50 nm bis 50 µm, bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 20 µm angeordnet sind, mehr bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 1.000 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 600 nm zueinander angeordnet sind.The invention therefore also covers a structured substrate with anti-reflection properties, which comprises a periodic point structure in the micrometer or submicrometer range, the periodic point structure being formed from inverse cones, the inverse cones being periodically spaced at a distance relative to their saddle point or center point Are arranged in the range from 50 nm to 50 μm, preferably in the range from 50 nm to 20 μm, more preferably in the range from 100 nm to 1000 nm, particularly preferably in the range from 100 nm to 600 nm.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, wird das strukturierte Substrat durch Bearbeitung mit einem Verfahren, wie hierin definiert, erhalten.According to a preferred embodiment of the invention, the structured substrate is obtained by processing with a method as defined herein.

Strukturiertes SubstratStructured substrate

Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich Substrate, die vornehmlich durch eine hierin offenbarte Vorrichtung oder ein hierin offenbartes Verfahren strukturiert wurden, durch ausgeprägte Antireflexionseigenschaften auszeichnen, Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch ein strukturiertes Substrat mit Antireflexionseigenschaften, wie hierin definiert, das eine periodische Punktstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich umfasst, wobei die periodische Punktstruktur insbesondere aus einer inversen Zapfenstruktur (hierin auch als inverse Zapfen bezeichnet) gebildet ist, wobei die inversen Zapfen periodisch mit einem Abstand bezogen auf deren Sattelpunkt bzw. Mittelpunkt im Bereich von 50 nm bis 50 µm, bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 20 µm angeordnet sind, mehr bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 1.000 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 600 nm.The inventors have found that substrates that have been structured primarily by a device disclosed herein or a method disclosed herein are characterized by pronounced anti-reflection properties. The present invention therefore also relates to a structured substrate with anti-reflection properties, as defined herein, which has a periodic point structure in Micrometer or submicrometer range, the periodic point structure being formed in particular from an inverse peg structure (herein also referred to as inverse pegs), the inverse pegs being spaced periodically at a distance in relation to their saddle point or midpoint in the range of 50 nm to 50 µm, are preferably arranged in the range from 50 nm to 20 μm, more preferably in the range from 100 nm to 1000 nm, particularly preferably in the range from 100 nm to 600 nm.

Die so erzeugte periodische Punktstruktur hat die Eigenschaft, dass abhängig von ihrer Strukturabmessung einstrahlende elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 10 nm bis 1 mm vermehrt transmittiert, beziehungsweise durch die periodischen Strukturen gebeugt werden können, sodass eine verringerte Reflexion an der Oberfläche des Substrats resultiert. Ist die Periode der erzeugten periodischen Punktstrukturen im Bereich der Wellenlänge der einfallenden elektromagnetischen Welle, so wird diese an der Oberfläche des Substrates gebeugt. Ist die Periode der erzeugten periodischen Punktstruktur kleiner als die Wellenlänge der einfallenden elektromagnetischen Welle, so wird diese transmittiert.The periodic point structure produced in this way has the property that, depending on its structural dimensions, incoming electromagnetic radiation with wavelengths in the range from 10 nm to 1 mm can be increasingly transmitted or diffracted by the periodic structures, resulting in reduced reflection at the surface of the substrate. If the period of the periodic point structures produced is in the range of the wavelength of the incident electromagnetic wave, then this is diffracted at the surface of the substrate. If the period of the generated periodic point structure is smaller than the wavelength of the incident electromagnetic wave, then this is transmitted.

Die periodische Punktstruktur ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass das strukturierte Substrat bei einer periodische Punktstruktur von weniger als 1.000 nm elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 550 nm, bevorzugt bei einer periodische Punktstruktur von weniger als 750 nm von mehr als 500 nm, ganz besonders bevorzugt bei einer periodische Punktstruktur von weniger als 600 nm von mehr als 450 nm transmittiert. In Abhängigkeit der Strukturtiefe der inversen Zapfen können somit insbesondere Wellenlängen im roten und/oder gelben Lichtspektrum, im grünen Lichtspektrum bis hin ins blaue Lichtspektrum in das Substrat transmittieren.The periodic point structure is preferably designed in such a way that the structured substrate completely absorbs electromagnetic radiation with a wavelength of more than 550 nm in the case of a periodic point structure of less than 1,000 nm, preferably more than 500 nm in the case of a periodic point structure of less than 750 nm particularly preferably transmitted with a periodic point structure of less than 600 nm of more than 450 nm. Depending on the structural depth of the inverse cones, wavelengths in particular in the red and/or yellow light spectrum, in the green light spectrum up to the blue light spectrum can thus be transmitted into the substrate.

Der Brechungsindex des strukturierten Substrats ist durch die erzeugte periodische Punktstruktur graduell. Er nimmt über die Höhe der Struktur hinweg ab, sodass kein klarer Luft-Medium Übergang existiert. Dadurch kommt es zur erhöhten Transmission von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge größer als die Strukturperiode der erzeugten Punktstruktur, und zur Beugung von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge im Bereich der Strukturperiode der erzeugten Punktstruktur.The refractive index of the structured substrate is gradual due to the periodic point structure produced. It decreases with the height of the structure, so no clear air-medium transition exists. This results in increased transmission of incident electromagnetic waves with a wavelength greater than the structure period of the point structure produced, and diffraction of incident electromagnetic waves with a wavelength in the range of the structure period of the point structure produced.

Verwendung des strukturierten SubstratesUse of the structured substrate

Das hierin definierte strukturierte Substrat mit Antireflexionseigenschaften findet beispielsweise Anwendung bei Photovoltaikanlagen, wobei durch die Einbringung antireflektierender Eigenschaften die Effizienz dieser Photovoltaikanlagen wesentlich erhöht werden kann. Eine große Herausforderung im Bereich der Photovoltaikanlagen liegt bei den großen Verlusten aufgrund der Reflexion der Sonnenstrahlen. Im Schnitt verursachen Reflexionen 40 % Energie-/Leistungsverluste pro Anlage. Der Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen muss entsprechend stetig verbessert werden. Einer der vielversprechendsten Ansätze ist die Reduktion von Reflexion mit Hilfe von Antireflexbeschichtungen und/oder Texturierungen der Oberfläche. Der Einsatz des hierin offenbarten Verfahrens vereinfacht, beschleunigt und verbessert die Behandlung der Oberflächen.The structured substrate with anti-reflection properties defined herein is used, for example, in photovoltaic systems, it being possible to significantly increase the efficiency of these photovoltaic systems by introducing anti-reflective properties. A major challenge in the field of photovoltaic systems lies in the large losses due to the reflection of the sun's rays. On average, reflections cause 40% energy/power losses per system. The efficiency of photovoltaic systems must be constantly improved accordingly. One of the most promising approaches is the reduction of reflection with the help of anti-reflective coatings and/or texturing of the surface. The use of the method disclosed herein simplifies, accelerates and improves the treatment of the surfaces.

Es ist darüber hinaus bekannt, dass Monitore und Bildschirme oft an festen Orten platziert sind und somit anfällig für ungünstige Lichteinfälle sind, die zu Sichtproblemen des Betrachters führen. Zwar existieren grundsätzlich Möglichkeiten, diesen Effekt zu minimieren, allerdings finden diese Ansätze keine breite Anwendung, da sie eher die Symptome lindern, als das Problem konkret zu lösen. Das hierin definierte strukturierte Substrat mit Antireflexionseigenschaften eignet sich beispielsweise ideal zur Aufbringung bzw. Einbindung im Darstellungsbereich bspw. in Form als Antireflexionsverglasung von Monitoren, Bildschirmen und Displays.It is also well known that monitors and screens are often placed in fixed locations and are therefore susceptible to unfavorable incidences of light, leading to viewing problems for the viewer. Although there are fundamental ways of minimizing this effect, these approaches are not widely used, as they tend to alleviate the symptoms rather than solve the problem in concrete terms. The patterned substrate with antireflection egg defined herein properties is ideal, for example, for application or integration in the display area, e.g. in the form of anti-reflection glazing for monitors, screens and displays.

Ein weiteres Anwendungsgebiet eröffnet sich im Bereich der Entspiegelung innerhalb von Glasfasern, was für höhere Übertragungsraten sorgt und die Rückreflexionen minimiert. Das hierin offenbarte Verfahren eignet sich daher ideal zur Strukturierung von Glasfasern, so dass die derart strukturierte Glasfaser ein weiteres Anwendungsbeispiel für ein hierin definiertes strukturierte Substrat mit Antireflexionseigenschaften bietet. Von der vorliegenden Erfindung ist daher auch die Verwendung eines hierin definierten strukturierten Substrats als Komponente von Glasfasern mit umfasst.Another area of application opens up in the area of anti-reflection coating within glass fibers, which ensures higher transmission rates and minimizes back reflections. The method disclosed herein is therefore ideally suited for structuring glass fibers, so that the glass fiber structured in this way offers a further application example for a structured substrate defined herein with anti-reflection properties. The present invention therefore also includes the use of a structured substrate as defined herein as a component of glass fibers.

Darüber hinaus haben die Erfinder herausgefunden, dass sich das hierin definierte Verfahren zur Strukturierung von Fensterscheiben (als ein weiteres Beispiel für eine Antireflexionsverglasung) eignet. So können die hierin offenbarten strukturierten Substrate beispielsweise in Form einer Antireflexionsverglasung oder als Folierung auf Häuserfassaden, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substraten, als wärmeisolierende Verglasungen verwendet werden, die beispielsweise zum Schutz vor gebündelter Sonneneinstrahlung durch gekrümmte Häuserfassaden und zur besseren Wärmedämmung von Gebäuden verwendet werden können.In addition, the inventors have found that the method defined herein is suitable for structuring window panes (as another example of anti-reflection glazing). For example, the structured substrates disclosed herein can be used in the form of anti-reflection glazing or as a film on house facades, preferably flat and/or transparent substrates, as heat-insulating glazing, which is used, for example, to protect against concentrated solar radiation through curved house facades and for better thermal insulation of buildings can.

Darüber hinaus kann eine Reduktion der Reflexion bei Mikroskopen und Teleskopen den Kontrast der damit aufgezeichneten Bilder erhöhen, wodurch die Effizienz und der Einsatz dieser optischen Geräte erhöht werden. Von der vorliegenden Erfindung ist daher auch die Verwendung eines hierin definierten strukturierten Substrats als optisches Element mit periodischen Punktstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich in optischen Geräten, wie bspw. Mikroskopen und Teleskopen mit umfasst, für die die Strahlführung, Strahlformung, Strahlbündelung und/oder Strahlfokussierung wesentlich sind.In addition, reducing the reflection in microscopes and telescopes can increase the contrast of the images recorded with them, thereby increasing the efficiency and use of these optical devices. The present invention therefore also includes the use of a structured substrate defined herein as an optical element with a periodic point structure in the micrometer or submicrometer range in optical devices, such as microscopes and telescopes, for which beam guidance, beam shaping, beam bundling and/or beam focusing are essential.

Es ist ebenfalls zweckdienlich, dass hierin definierte strukturierte Substrat als Negativform (sog. Master) bspw. innerhalb eines Prägeprozesses zur indirekten Aufbringung oder Erzeugung von Strukturen auf einem anderen Substrat zu verwenden. Beispielsweise ist dies bei Rolle-zu-Rolle-Prozessen relevant, bei denen mit Hilfe eines Heiß- oder UV-Prägeprozesses Strukturen von einem sog. Master (meist Metall wie z.B. Nickel) auf eine Polymerfolie (z.B. PET) im Endlosverfahren übertragen werden. Somit können auf anderen Substraten die inversen Strukturen im Hochdurchsatz als periodische Punktstrukturen im Mikro- oder Submikrometerbereich erzeugt werden. It is also expedient to use the structured substrate defined herein as a negative mold (so-called master), for example within an embossing process for the indirect application or production of structures on another substrate. For example, this is relevant for roll-to-roll processes in which structures are transferred from a so-called master (usually metal such as nickel) to a polymer film (e.g. PET) in a continuous process using a hot or UV embossing process. Thus, the inverse structures can be produced in high throughput as periodic point structures in the micrometer or submicrometer range on other substrates.

BezugszeichenlisteReference List

11
Laserstrahlungsquellelaser radiation source
22
Strahlteilerelementbeam splitter element
33
Strahlengangbeam path
44
Fokussierelementfocusing element
55
Substratsubstrate
66
weiteres Umlenkelementanother deflection element
77
Umlenkelementdeflection element
88th
Polarisationselementpolarizing element
99
Fokussierspiegel bzw. Galvo-SpiegelFocusing mirror or galvo mirror

Ausführungsbeispieleexemplary embodiments

Anhand folgender Figuren und Ausführungsbeispiele wird die vorliegende Erfindung näher erläutert, ohne die Erfindung auf diese zu beschränken. Insbesondere sind in den einzelnen Figuren gezeigte und zu dem jeweiligen Beispiel beschriebene Merkmale nicht auf das jeweilige Einzelbeispiel beschränkt.The present invention is explained in more detail on the basis of the following figures and exemplary embodiments, without restricting the invention to these. In particular, features shown in the individual figures and described for the respective example are not limited to the respective individual example.

Figurenlistecharacter list

  • 1: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 : a schematic perspective view of a device according to the invention.
  • 2: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ein Umlenkelement (6) zur Parallelisierung der Teilstrahlen enthält. 2 : a schematic perspective view of a device according to the invention, which contains a deflection element (6) for making the partial beams parallel.
  • 3: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ein Umlenkelement (7) zur Aufweitung des Winkels der Teilstrahlen zur optischen Achse des Strahlengangs (3) enthält. 3 : a schematic perspective view of a device according to the invention, which contains a deflection element (7) for widening the angle of the partial beams to the optical axis of the beam path (3).
  • 4A: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die optische Elemente (6) mit einer planaren, reflektierenden Oberfläche, die die Teilstrahlen auf das Fokussierelement (4) umlenken, enthält. 4A : a schematic perspective view of a device according to the invention, which contains optical elements (6) with a planar, reflecting surface, which deflect the partial beams onto the focusing element (4).
  • 4B: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die als optisches Element zur Strahlformung einen Galvo-Spiegel (9) umfasst, was eine ortsfeste Positionierung des zu strukturierenden Substrats während des Prozesses der Strukturierung erlaubt. 4B : a schematic perspective view of a device according to the invention, which comprises a galvo mirror (9) as an optical element for beam shaping, which allows stationary positioning of the substrate to be structured during the structuring process.
  • 5: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Vorrichtung ein Polarisationselement (8), welches den Phasenverlauf der Teilstrahlen zueinander verschiebt, enthält, wobei
    1. a) das Strahlteilerelement (2) im Strahlengang (3) nah an der Laserstrahlungsquelle (1) positioniert ist.
    2. b) das Strahlteilerelement (2) im Strahlengang (3) nah am Umlenkelement (7) positioniert ist.
    5 : a schematic perspective view of a device according to the invention, wherein the device contains a polarization element (8) which shifts the phase profile of the partial beams relative to one another, wherein
    1. a) the beam splitter element (2) is positioned in the beam path (3) close to the laser radiation source (1).
    2. b) the beam splitter element (2) is positioned in the beam path (3) close to the deflection element (7).
  • 6: eine schematische Ansicht der sich auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats ergebenden Interferenzpixel mit der Weite D, und die Verteilung der einzelnen Interferenzpixel auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats, wobei die Interferenzpixel zueinander verschoben sind mit der Pixeldichte Pd. 6 : a schematic view of the resulting interference pixels with width D on the surface or inside the substrate, and the distribution of the individual interference pixels on the surface or inside the substrate, the interference pixels being mutually shifted with the pixel density Pd.
  • 7: eine schematische perspektivische Ansicht des strukturierten Substrats (5) mit den erzeugten periodischen Punktstrukturen, bestehend aus inversen Zapfen, mit Abmessungen im Mikro- und Submikrometerbereich, und symbolisch die Transmission von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen größer als die Strukturperiode der erzeugten Strukturen, sowie die Beugung von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen im Bereich oder kleiner der erzeugten Strukturen. 7 : a schematic perspective view of the structured substrate (5) with the generated periodic point structures, consisting of inverse cones, with dimensions in the micrometer and submicrometer range, and symbolically the transmission of incident electromagnetic waves with wavelengths longer than the structure period of the structures generated, as well as the Diffraction of incident electromagnetic waves with wavelengths in the range or smaller of the created structures.

1 visualisiert in einem ersten Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Vorrichtung, umfassend eine Laserstrahlungsquelle (1) zum Emittieren eines Laserstrahls. Im Strahlengang (3) des Laserstrahls hinter der Laserstrahlungsquelle (1) angeordnet, befindet sich ein Strahlteilerelement (2), welches im Strahlengang (3) beweglich angeordnet ist. Im Strahlengang (3) des Laserstrahls hinter dem Strahlteilerelement (2) angeordnet, befindet sich ein Fokussierelement (4). Im Strahlengang (3) des Laserstrahls hinter dem Fokussierelement (4) angeordnet, befindet sich eine Haltevorrichtung, auf der ein Substrat (5), bevorzugt flächiges und/oder transparentes Substrat, gelagert ist. 1 visualizes in a first embodiment the device according to the invention, comprising a laser radiation source (1) for emitting a laser beam. Arranged in the beam path (3) of the laser beam behind the laser radiation source (1), there is a beam splitter element (2) which is movably arranged in the beam path (3). A focusing element (4) is arranged in the beam path (3) of the laser beam behind the beam splitter element (2). Arranged in the beam path (3) of the laser beam behind the focusing element (4), there is a holding device on which a substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate, is mounted.

In dieser Ausgestaltung emittiert die Laserstrahlungsquelle (1) einen gepulsten Laserstrahl. Es handelt sich hier bei der Laserstrahlungsquelle um einen UV Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm Wellenlänge und einer Pulsdauer von 12 ps. Das Strahlungsprofil der Laserstrahlungsquelle entspricht in dieser Ausführungsform einem Top-Hat-Profil.In this configuration, the laser radiation source (1) emits a pulsed laser beam. The laser radiation source is a UV laser with a wavelength of 355 nm and a pulse duration of 12 ps. In this embodiment, the radiation profile of the laser radiation source corresponds to a top-hat profile.

In diesem Ausführungsbeispiel entspricht das Strahlteilerelement (2) einem diffraktiven Strahlteilerelement. Ein diffraktives Strahlteilerelement ist hier ein Strahlteilerelement, welches Mikro- oder Nanostrukturen enthält. Das Strahlteilerelement (2) unterteilt den Laserstrahl in 4 Teilstrahlen.In this exemplary embodiment, the beam splitter element (2) corresponds to a diffractive beam splitter element. A diffractive beam splitter element here is a beam splitter element that contains microstructures or nanostructures. The beam splitter element (2) divides the laser beam into 4 partial beams.

Das Fokussierelement (4) entspricht in diesem Ausführungsbeispiel einer refraktiven, sphärischen Linse, die die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Teilstrahlen so auf das Substrat (5), bevorzugt flächige und/oder transparente Substrat, lenkt, dass sie dort in einem Interferenzbereich interferieren. Der Interferenzwinkel entspricht in dieser Ausgestaltung 27,2°, woraus eine Strukturperiode von 550 nm für die periodische Punktstruktur bei dem gleichen Polarisationszustand resultiert.In this exemplary embodiment, the focusing element (4) corresponds to a refractive, spherical lens, which directs the partial beams running essentially parallel to one another onto the substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate, such that they interfere there in an interference region. In this configuration, the interference angle corresponds to 27.2°, which results in a structure period of 550 nm for the periodic point structure with the same polarization state.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das flächige Substrat einmal bestrahlt, sodass sich eine Bearbeitungsdauer pro Struktureinheit, d. h. pro Interferenzpixel, von 12 ps ergibt.According to this exemplary embodiment, the planar substrate is irradiated once, so that a processing time per structural unit, i. H. per interference pixel, of 12 ps.

Bei dem Substrat (5), bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrat, handelt es sich um ein Glas, ganz speziell ein Quarzglas, welches auf einer Haltevorrichtung gelagert ist, sodass es in der xy-Ebene, senkrecht zum Strahlengang des von der Laserstrahlungsquelle (1) emittierten Laserstrahls beweglich ist.The substrate (5), preferably a flat and/or transparent substrate, is a glass, especially a quartz glass, which is mounted on a holding device so that it is in the xy plane, perpendicular to the beam path of the laser radiation source ( 1) emitted laser beam is movable.

2 visualisiert in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Vorrichtung wie in 1 beschrieben, zusätzlich umfassend ein Umlenkelement (6), welches sich im Strahlengang (3) des Lasers nach dem Strahlteilerelement (2) und dem Fokussierelement (4) befindet. 2 visualized in a further embodiment, the device as in 1 described, additionally comprising a deflection element (6), which is located in the beam path (3) of the laser after the beam splitter element (2) and the focusing element (4).

In dieser Ausgestaltung ist das Umlenkelement eine konventionelle, refraktive, konvexe Linse. Die Teilstrahlen treffen derart auf das Umlenkelement (6) auf, dass sie nach Durchlaufen des Umlenkelements im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dadurch lässt sich der Punkt, in dem die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats interferieren, einstellen.In this embodiment, the deflection element is a conventional, refractive, convex lens. The partial beams impinge on the deflection element (6) in such a way that, after passing through the deflection element, they run essentially parallel to one another. This allows the point at which the partial beams interfere on the surface or inside the substrate to be set.

3 visualisiert in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung basierend auf dem in 1 und 2 gezeigten Aufbau. Zusätzlich umfasst dieser Aufbau ein weiteres Umlenkelement (7), welches im Strahlengang (3) des Lasers zwischen dem Strahlteilerelement (2) und dem Umlenkelement (6) angeordnet ist. 3 visualizes in a further embodiment a device based on the in 1 and 2 structure shown. In addition, this structure includes a further deflection element (7), which is arranged in the beam path (3) of the laser between the beam splitter element (2) and the deflection element (6).

In dieser Ausgestaltung ist das weitere Umlenkelement (7) eine konventionelle, refraktive, konkave Linse. Die Teilstrahlen treffen derart auf das weitere Umlenkelement auf, sodass ihr Winkel zur optischen Achse des Strahlengangs aufgeweitet wird. Dadurch lässt sich der Interferenzwinkel, mit dem die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, interferieren, verändern.In this embodiment, the further deflection element (7) is a conventional, refractive, concave lens. The partial beams impinge on the further deflection element in such a way that their angle to the optical axis of the beam path is widened. As a result, the interference angle with which the partial beams interfere on the surface or inside the substrate, preferably a flat and/or transparent substrate, can be changed.

In dieser Ausgestaltung sind alle optischen Elemente abgesehen vom Strahlteilerelement (2) entlang der optischen Achse des Strahlengangs (3) fixiert. Der Interferenzwinkel der Teilstrahlen auf dem Substrat wird über eine Verschiebung des Strahlteilerelements (2) entlang der optischen Achse des Strahlengangs eingestellt.In this embodiment, all optical elements apart from the beam splitter element (2) are fixed along the optical axis of the beam path (3). The interference angle of the partial beams on the substrate is a shift of the beam part lerelements (2) set along the optical axis of the beam path.

4A zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung wie in 3, umfassend die optischen Elemente (6) mit einer planaren, reflektierenden Oberfläche, die derart eingerichtet sind, dass sie die Teilstrahlen auf das Fokussierelement (4) umlenken. 4A shows a device as in FIG 3 , comprising the optical elements (6) with a planar, reflective surface, which are set up in such a way that they deflect the partial beams onto the focusing element (4).

In dieser Ausgestaltung werden die zumindest drei Teilstrahlen durch Verschiebung der optischen Elemente (6) in einem bevorzugten Winkel auf das Substrat gelenkt. Dadurch kann auf ein Umlenkelement in Form einer Linse (Bezugszeichen (6) in 3) verzichtet werden.In this configuration, the at least three partial beams are directed onto the substrate at a preferred angle by displacing the optical elements (6). As a result, a deflection element in the form of a lens (reference number (6) in 3 ) can be waived.

5 visualisiert in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung wie in 3, zusätzlich umfassend je ein Polarisationselement (8) pro Teilstrahl, welche im Strahlengang (3) des Laserstrahls zwischen dem Umlenkelement (6) und dem Fokussierelement (4) angeordnet sind. 5 visualized in a further embodiment, a device as in 3 , Additionally comprising one polarization element (8) per partial beam, which are arranged in the beam path (3) of the laser beam between the deflection element (6) and the focusing element (4).

Das Polarisationselement ist derart angeordnet, dass es die Polarisierung der einzelnen Teilstrahlen zueinander so verändert, dass sich eine Veränderung des Interferenzmusters ergibt.The polarization element is arranged in such a way that it changes the polarization of the individual partial beams relative to one another in such a way that the interference pattern changes.

Diese Ausgestaltung ist in zwei unterschiedlichen Konfigurationen dargestellt. In 5 a) ist das Strahlteilerelement (2) im Strahlengang (3) nah an der Laserstrahlungsquelle (1) positioniert. In 5 b) ist das Strahlteilerelement (2) im Strahlengang (3) nah am Umlenkelement (7) positioniert. Auf diese Weise lässt sich das Interferenzmuster der interferierenden Teilstrahlen auf der Oberfläche des Substrats (5) stufenlos einstellen, ohne dass die anderen optischen Elemente im Aufbau oder das Substrat bewegt werden müssen.This embodiment is shown in two different configurations. In 5 a) the beam splitter element (2) is positioned in the beam path (3) close to the laser radiation source (1). In 5b) the beam splitter element (2) is positioned in the beam path (3) close to the deflection element (7). In this way, the interference pattern of the interfering partial beams on the surface of the substrate (5) can be continuously adjusted without having to move the other optical elements in the structure or the substrate.

Zusätzlich wäre es auch denkbar, dass die Anordnung ein zusätzliches optisches Element zur Strahlformung enthält, das im Strahlengang (3) des Laserstrahls der Laserstrahlungsquelle (1) nachgeordnet ist. In dieser Ausgestaltung entspricht das Strahlungsprofil der Laserstrahlungsquelle einem Gauß-Profil. Das optische Element zur Strahlformung wandelt dieses Profil in ein Top-Hat-Profil um.In addition, it would also be conceivable for the arrangement to contain an additional optical element for beam shaping, which is arranged downstream of the laser radiation source (1) in the beam path (3) of the laser beam. In this configuration, the radiation profile of the laser radiation source corresponds to a Gaussian profile. The beam-shaping optical element converts this profile into a top-hat profile.

6 enthält eine schematische Ansicht der sich auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats ergebenden Interferenzpixel mit der Weite D, und die Verteilung der einzelnen Interferenzpixel auf der Oberfläche oder im Inneren des Substrats, wobei die Interferenzpixel zueinander verschoben sind mit der Pixeldichte Pd. 6 contains a schematic view of the resulting interference pixels with width D on the surface or inside the substrate, and the distribution of the individual interference pixels on the surface or inside the substrate, the interference pixels being mutually shifted with pixel density Pd.

In dieser Ausgestaltung ist die Pixeldichte Pd kleiner als die Weite eines Interferenzpixels, D. Dadurch kann durch Bewegen des Substrats (5) mittels eines gepulsten Laserstrahls eine flächige homogene periodische Punktstruktur auf der Oberfläche oder im Inneren eines Substrats, bevorzugt flächigen und/oder transparenten Substrats, erzeugt werden.In this configuration, the pixel density Pd is smaller than the width of an interference pixel, D. As a result, by moving the substrate (5) using a pulsed laser beam, a planar, homogeneous, periodic point structure can be created on the surface or inside a substrate, preferably a planar and/or transparent substrate , be generated.

7 visualisiert das durch das erfindungsgemäße verfahren erzeugte strukturierte Substrat (5) mit den erzeugten periodischen Punktstrukturen, bestehend aus inversen Zapfen, mit Abmessungen im Mikro- und Submikrometerbereich. Es wird zudem symbolisch die Transmission von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen größer als die Strukturperiode der erzeugten Strukturen, sowie die Beugung von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen im Bereich oder kleiner der erzeugten Strukturen verdeutlicht. 7 visualizes the structured substrate (5) produced by the method according to the invention with the periodic point structures produced, consisting of inverse pegs, with dimensions in the micrometer and submicrometer range. In addition, the transmission of incident electromagnetic waves with wavelengths greater than the structure period of the structures produced, as well as the diffraction of incident electromagnetic waves with wavelengths in the range or smaller of the structures produced, are symbolically illustrated.

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Claims (24)

Laserinterferenzstrukturierungsvorrichtung zur direkten Laserinterferenzstrukturierung eines Substrats, umfassend - eine Laserstrahlungsquelle (1) zum Emittieren eines Laserstrahls, - ein Strahlteilerelement (2), das im Strahlengang (3) des Laserstrahls angeordnet ist, - ein Fokussierelement (4), das derart eingerichtet ist, dass es die Teilstrahlen derart durchlaufen, dass die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder im Volumen eines Substrats (5) in einem Interferenzbereich interferierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (2) entlang seiner optischen Achse im Strahlengang (3) frei beweglich ist, der Strahlteiler (2) dazu eingerichtet ist, den einfallenden Laserstrahl, der von der Laserstrahlungsquelle (1) ausgesandt wird, in zumindest 3 Teilstrahlen aufzuteilen.Laser interference structuring device for direct laser interference structuring of a substrate, comprising - a laser radiation source (1) for emitting a laser beam, - a beam splitter element (2) which is arranged in the beam path (3) of the laser beam, - a focusing element (4) which is set up in such a way that the partial beams pass through in such a way that the partial beams can be interfered with on the surface or in the volume of a substrate (5) in an interference region, characterized in that the beam splitter (2) is freely movable along its optical axis in the beam path (3), the beam splitter (2) is set up to split the incident laser beam, which is emitted by the laser radiation source (1), into at least 3 partial beams. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei im Strahlengang (3) der Laserstrahlungsquelle (1) dem Strahlteilerelement (2) nachgeordnet ein erstes Umlenkelement (7) angeordnet ist, dass derart eingerichtet ist, dass die zumindest drei Teilstrahlen beim Durchlaufen des Umlenkelements (7) aufgeweitet werden.device after claim 1 A first deflection element (7) is arranged downstream of the beam splitter element (2) in the beam path (3) of the laser radiation source (1) and is set up in such a way that the at least three partial beams are widened as they pass through the deflection element (7). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Strahlengang (3) der Laserstrahlungsquelle (1) und dem Strahlteilerelement (2) nachgeordnet ein weiteres Umlenkelement (6) angeordnet ist, das derart eingerichtet ist, dass es die Teilstrahlen derart umlenkt, dass sie nach Austritt aus dem weiteren Umlenkelement (6) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.device after claim 1 or 2 , wherein a further deflection element (6) is arranged in the beam path (3) downstream of the laser radiation source (1) and the beam splitter element (2), which is set up in such a way that it deflects the partial beams in such a way that, after exiting the further deflection element (6 ) run essentially parallel to each other. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Strahlteilerelement (2) ein diffraktives Strahlteilerelement oder ein refraktives Strahlteilerelement ist.Device according to one of Claims 1 until 3 , wherein the beam splitter element (2) is a diffractive beam splitter element or a refractive beam splitter element. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Umlenkelement (7) eine konkave Linse ist.Device according to one of claims 2 until 4 , wherein the deflection element (7) is a concave lens. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das weitere Umlenkelement (6) eine konvexe Linse ist.Device according to one of claims 3 until 5 , wherein the further deflection element (6) is a convex lens. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fokussierelement (4) eine konvexe Linse ist.Apparatus according to any preceding claim, wherein the focusing element (4) is a convex lens. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung mindestens ein Polarisationselement (8) umfasst, welches im Strahlengang zwischen dem Umlenkelement und dem Fokussierelement angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, wherein the device comprises at least one polarization element (8) which is arranged in the beam path between the deflection element and the focusing element. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Laserstrahlungsquelle um eine gepulste Laserstrahlungsquelle mit Pulsweiten im Bereich von 10 Nanosekunden bis 10 Femtosekunde, handelt.Device according to one of the preceding claims, in which the laser radiation source is a pulsed laser radiation source with pulse widths in the range from 10 nanoseconds to 10 femtoseconds. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlungsprofil des von der Laserstrahlungsquelle emittierten Laserstrahls einem Gauß-Profil oder einem Top-Hat-Profil entspricht.Device according to one of the preceding claims, in which the radiation profile of the laser beam emitted by the laser radiation source corresponds to a Gaussian profile or a top-hat profile. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich vor dem Strahlteilerelement ein weiteres optisches Element befindet, welches zur Strahlformung verwendet werden kann.Device according to one of the preceding claims, wherein a further optical element which can be used for beam shaping is located in front of the beam splitter element. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Haltevorrichtung umfasst, auf der das Substrat gelagert ist und die in der xy-Ebene, senkrecht zum Strahlengang (3) des von der Laserstrahlungsquelle (1) emittierten Laserstrahls beweglich ist.Device according to one of the preceding claims, wherein the device comprises a holding device on which the substrate is mounted and which is movable in the xy plane perpendicular to the beam path (3) of the laser beam emitted by the laser radiation source (1). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein transparentes Material umfasst.A device according to any one of the preceding claims, wherein the substrate comprises a transparent material. Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit einer periodischen Punktstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich mittels Laserinterferenzstrukturierung, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Substrates (5), vorzugsweise umfassend ein transparentes Material, b) Emittieren eines Laserstrahls aus einer Laserstrahlungsquelle (1), c) Teilen des Laserstrahls durch ein Strahlteilerelement (2) in zumindest drei Teilstrahlen, d) Fokussieren der Teilstrahlen auf die Oberfläche oder innerhalb des Volumens des Substrats (5), sodass die Teilstrahlen auf der Oberfläche oder innerhalb des Volumens des Substrats konstruktiv und destruktiv interferieren, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest drei Teilstrahlen durch das Fokussieren so auf dem Substrat überlagert werden, dass eine periodische Punktstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich auf der Oberfläche oder im Volumen des Substrats erzeugt wird, wobei die periodische Punktstruktur aus inversen Zapfen gebildet ist, wobei die inversen Zapfen periodisch mit einem Abstand im Bereich von 50 nm bis 50 µm zueinander angeordnet sind.Method for producing a substrate with a periodic point structure in the micrometer or submicrometer range by means of laser interference structuring, comprising the following steps: a) providing a substrate (5), preferably comprising a transparent material, b) emitting a laser beam from a laser radiation source (1), c ) dividing the laser beam by a beam splitter element (2) into at least three partial beams, d) focusing the partial beams onto the surface or within the volume of the substrate (5), so that the partial beams interfere constructively and destructively on the surface or within the volume of the substrate, characterized in that the at least three partial beams are superimposed on the substrate by focusing in such a way that a periodic point structure in the micrometer or submicrometer range is generated on the surface or in the volume of the substrate, the periodic point structure being formed from inverse cones, wherein the inverse pins are arranged periodically with a distance in the range of 50 nm to 50 microns to each other. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Strukturperiode der erzeugten periodischen Punktstruktur des Substrates (5) im Mikro- oder Submikrometerbereich durch Bewegen des Strahlteilerelements (2) entlang seiner optischen Achse im Strahlengang (3) stufenlos einstellbar ist.procedure after Claim 14 , where the structure period is the generated periodic point Structure of the substrate (5) in the micro or submicron range by moving the beam splitter element (2) along its optical axis in the beam path (3) is continuously adjustable. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Substrat (5) ein transparentes Material umfasst und die Teilstrahlen im Innern des transparenten Materials interferieren.procedure after Claim 14 or 15 , wherein the substrate (5) comprises a transparent material and the partial beams interfere inside the transparent material. Strukturiertes Substrat mit Antireflexionseigenschaften, umfassend eine periodische Punktstruktur im Mikro- oder Submikrometerbereich, wobei die periodische Punktstruktur aus inversen Zapfen gebildet ist, wobei die Zapfen periodisch mit einem Abstand im Bereich von 50 nm bis 50 µm angeordnet sind.Structured substrate with antireflection properties, comprising a periodic point structure in the micron or submicron range, where the periodic point structure is formed from inverse cones, the pegs being periodically spaced in the range 50 nm to 50 µm. Strukturiertes Substrat nach Anspruch 17, wobei die periodische Punktstruktur derart ausgebildet ist, dass das strukturierte Substrat elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 550 nm, bevorzugt von mehr als 500 nm, ganz besonders bevorzugt von mehr als 450 nm transmittiert.Structured substrate after Claim 17 , wherein the periodic point structure is formed in such a way that the structured substrate transmits electromagnetic radiation with a wavelength of more than 550 nm, preferably more than 500 nm, very particularly preferably more than 450 nm. Strukturiertes Substrat nach Anspruch 17, wobei strukturierte Substrat ein transparentes Material umfasst, und wobei das transparente Material aus der Gruppe umfassend Glas, feste Polymere, transparente Keramiken oder Mischungen daraus ausgewählt ist.Structured substrate after Claim 17 , wherein the structured substrate comprises a transparent material, and wherein the transparent material is selected from the group consisting of glass, solid polymers, transparent ceramics or mixtures thereof. Strukturiertes Substrat nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Brechungsindex des strukturierten Substrats graduell ist.Structured substrate according to one of claims 17 until 19 , where the refractive index of the structured substrate is gradual. Verwendung des strukturierten Substrats nach einem der Ansprüche 17 bis 20 in Photovoltaikanlagen.Use of the structured substrate according to one of claims 17 until 20 in photovoltaic systems. Verwendung des strukturierten Substrats nach einem der Ansprüche 17 bis 20 als Antireflexionsverglasung von Monitoren, Bildschirmen und Displays.Use of the structured substrate according to one of claims 17 until 20 as anti-reflection glazing for monitors, screens and displays. Verwendung des strukturierten Substrats nach einem der Ansprüche 17 bis 20 in Glasfasern.Use of the structured substrate according to one of claims 17 until 20 in glass fibers. Verwendung des strukturierten Substrats nach einem der Ansprüche 17 bis 20 als Negativform zur indirekten Aufbringung oder Erzeugung von Strukturen auf einem anderen Substrat.Use of the structured substrate according to one of claims 17 until 20 as a negative mold for indirect application or creation of structures on another substrate.
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