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Verfahren zur Herstellung von
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entspiegelten optischen Oberflächen
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von nach dem Prinzip des mit
der Materialtiefe anwachsenden Brechungsindex entspiegelten optischen Oberflächen
von z.B. lichtdurchlässigen Körpern, wie optischen Elementen für Hochleistungslaser,
unter Anwendung eines Ätzprozesses.
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Die gängigste bekannte Entspiegelungsmethode ist das Aufdampfen von
dünnen dielektrischen Ein- oder Mehrfachschichten auf die zu entspiegelnden Oberflächen.
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Dabei nutzt man die destruktive Interferenz der von den verschiedenen
Grenzflächen ausgehenden gespiegelten Lichtwellen.
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Eine weitere Methode der Entspiegelung ist die Schaffung eines kontinuierlichen
Ubergangs des Brechungsindex von einem optischen Medium ins andere. Dabei ist jedoch
ein spezielles Glas notwendig, bei dem zwei verschiedene Komponenten mikroskopisch
fein verteilt miteinander verschmolzen werden. Eine dieser Komponenten wird dabei
so gewählt, daß sie sich in einem Ätzbad leicht lösen läßt.
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Beim Ätzen entsteht dann oberflächlich eineschwammartige Struktur,
deren Dichte zur Tiefe hin kontinuierlich von O bis zur Dichte des ungeätzten Glases
anwächst. Sind die Poren dieses Schwammes wesentlich kleiner als die Lichtwellenlänge,
so wirken sie auf das Licht wie ein kontinuierliches optisches Medium mit einem
zur Tiefe hin anwachsenden Brechungsindex. Nachteilig bei dieser
Methode
sind vor allem die Schwierigkeiten, geeignete 2-Komponentengläser zu schmelzen.
Die Herstellung solcher Gläser ist relativ schwierig, speziell für große Werkstücke,
da die Porengröße der geätzten Flächen nur in geringen Grenzen schwanken darf. Weiterhin
legen die notwendigen Bestandteile eines solchen 2-Komponentenglases andere.optische
Eigenschaften fest, die damit nicht mehr frei gewählt werden können. Ein Nachteil
der eingangsgenannten, zur Entspiegelung bedampften Flächen besteht darin, daß so
behandelte Optiken keine sehr hohen Lichtleistungen ertragen können, ohne' zerstört
zu werden.
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Ausgehend von diesem Stande der Technik hat. nun die vorliegende Erfindung
zur Aufgabe, das bekannte Verfahren zur Herstellung von nach dem Prinzip des mit
der Materialtiefe anwachsenden Brechungsindex entspiegelten optischen Oberflächen
so zu verbessern, daß lichtdurchlässige Körper aus beliebigen Materialien, vor allem
aus 1-Komponentenmaterialien für Licht beliebiger Wellenlänge,entspiegelt werden
können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe gibt nun die vorliegende Erfindung ein Verfahren
an, das aus den im Kennzeichen der Patentansprüche angegebenen Verfahrensschritten
besteht.
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Mit Hilfe dieser Verfahrensschritte lassen sich nun die in der Aufgabe
angegebenen Materialien optimal entspiegeln, wobei kein Parameter für sich allein
entscheidend
ist, sondern das Wesentliche der Erfindung in der Kombination der Parameter zu sehen
ist, die zum gewünschten Ziel führen.
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Besondere Vorzüge des neuen Verfahrens bestehen nun darin, daß die
zu entspiegelnde Fläche kein 2-Komponentenglas als Grundmaterial mehr voraussetzt.
Die "lösliche Komponente" des Glases wird durch die Bestrahlung mit schweren Ionen
erzeugt. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung schwerer Ionen deshalb, weil mit
wachsender Ionenmasse die Ätzgeschwindigkeit längs der Spur wächst. Damit lassen
sich tiefe Ätzkegel bei gleichzeitig kleiner Eintrittsöffnung erreichen.
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Ebenso erhöht sich mit wachsender Ionenmasse die Zahl der verschiedenen
Gläser, Plastikmaterialien oder durchsichtiger Kristalle, die sich auf die beschriebene
Art entspiegeln lassen.
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Desweiteren kann in besonders vorteilhafter Weise die Porenstruktur
präzise gesteuert werden, da die durch Ionenbeschuß erzeugten leichter löslichen
Bereiche einen einheitlichen Durchmesser von 50 bis 100 i je nach Material haben
und beim Ätzvorgang ebenso einheitlich auf den Solldurchmesser erweitert werden.
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Im Gegensatz dazu hat die leicht lösliche Komponente eines 2-Komponentenglases
eine durch den Mischvorgang bedinyte statistische Größenverteilung.
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Die technischen Parameter Ionenfluß (Ionen/cm2) und Ätzzeit lassen
sich in weiten Grenzen variieren, ohne das Ergebnis wesentlich zu verschlechtern.
Im Gegensatz dazu erfordertz.B. das Aufdampfen von Vielfachschichten eine sehr sorgfältige
Einhaltung der verschiedenen Schichtdecken mit einer entsprechend aufwendigen Meßtechnik.
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Da schon Implantationsbeschleuniger mit einer Maximalenergie von einigen
100 KeV für das erfahren ausreichend sind, eignet es sich zwanglos und für die Herstellung
integrierter Optiken. Dies gilt speziell auch dann, wenn diese mit lonenmikrostrahlen
hergestellt werden.
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Letztlich ist das Verfahren in besonders vorteilhafter Weise sehr
schnell, d.h. bei Ionenströmen von 1 mA, wie sie technisch erreichbar sind, läßt
sich 1 m2 in einer Sekunde bestrahlen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand der Figuren
1 bis 3 und mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die Figur 1 zeigt die Bestrahlungsbedingungen, Schnitt durch das optische
Material senkrecht zur Oberfläche, die Figur 2 den Schnitt durch das optische Material
nach der Ätzung,
die Figur 3 den Tiefenverlauf des Brechungsindex
nach der Ätzung der bestrahlten Fläche.
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Wie bereits erwähnt, benutzt das neue Verfahren die guten Eigenschaften
der 2-Komponentenglasmethode, macht jedoch die spezielle Entwicklung und die Handhabung
eines 2-Komponentenglases überflüssig. Statt dessen wird die zu entspiegelnde Fläche
mit Ionen beschossen, die das Glas längs ihrer Bahn so verändern, daß es leichter
löslich wird. Den Vorgang der Entspiegelung nach dieser Methode zeigen die Figuren
1 und 2 in einer schematischen Darstellung.
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Die zu entspiegelnde Oberfläche wird aus senkrechter Richtung mit
Ionen so beschossen, daß deren mittlerer Abstand etwa 0,01 bis 0,1 pm beträgt (entsprechend
einem Ionenfluß von etwa 1011 Ionen/cm2). Die Ionenenergie wird so gewählt, daß
die Eindringtiefe der Ionen zwischen 1 x A bis 5 x ß liegt, wobei jt die Wellenlänge
des verwendeten Lichtes ist, für welches die Entspiegelung wirksam sein soll.
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Bei dem nachfolgenden Ätzen nach den an sich bekannten Ätzmetiioden
bilden sich entlang der Bahn jedes Iones ein Atzkegel, dessen öffnungswinkel ci
durch s t = v bestimmt ist (v = Ätzgeschwindigkeit des unbestrahlten Glases, v5
= Ätzgeschwindigkeit entlang der Ionenspur). Dabei ist der Ätzvorgang so zu führen,
daß die größte Öffnung des Kegels 0,1 tim nicht übersteigt.
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Die Ätzzeiten sind für verschiedene Kombinationen von Gläsern und
Ätzlösungen jeweils entsprechend anzusetzen.
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Nach dem Atzen hat sich ein Verlauf des Brechungsindcx ergeben, wie
er in der Figur 3 schematisch dargestellt ist. Bei sehr großen Strukturierungstiefen
empfiehlt es sich, die Bestrahlung unter verschiedenen statistisch verteilten' Winkeln
vorzunehmen. Dann laufen die individuellen Ätzkegel durcheinander. Es wird eine
bessere mechanische Stabilität erreicht, ohne das in der Figur 2 gezeigte Ergebnis
zu verändern.
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In der folgenden Tabelle sind die einzelnen Kenndaten des erfindungsgemäßen
Verfahrens zusammengefaßt:
| Ionen Maske Strahl Eíndring- Kegelwinkel Ergebnis |
| pro cm² tiefe der der geätzten Quer- |
| Pro cm |
| Ätzung Spuren schnitts- |
| bild |
| Neue Metho- statis- s,Figur 2, |
| de 11 tisch ver- ursprüngl. |
| Entspiege- 2>10 nein teilte <2 Mm t5° Oberflä- |
| lung Winkel o. che fast |
| parallel völlig |
| entfernt |
| Porosität |
| % 10 |
wobei die Porosität = Ionenfluß (Ionen/Fläche) x Querschnitt der geätzten Spur ist.
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Dafür gilt immer: Größte öffnung des Ätzkegels < 1/10 Wellenlänge,
Tiefe des Ätzkegels 0,5 bis 2 x Wellenlänge, Porosität 1.
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Daraus geht hervor, daß z.B. für blaues Licht mit 400 nm Wellenlänge
eine andere Dosis und Eindringtiefe notwendig ist, als für Infrarotstrahlung z.B.
von 5 Wellenlänge.
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Im folgenden wird ein Beispiel für die Entspiegelung eines optischen
Körpers angegeben: Ein Plastikmaterial für Brillen (Allyl-Diglykol-Karbonat) wurde
beidseitig mit 6 x 1011 Argon-Ionen/cm2 mit einer Energie von 700 keV beschossen
und anschliessend 6 Minuten in 6,25 normaler Natronlauge bei 400C geätzt. Danach
reduzierte sich die Lichtabsorption durch die Schicht von 8 % auf 1,5 %. Bei Berücksichtigung
einer Volumenabsorption von 0,3 % ergibt sich eine Reflexion von 0,6 % an einer
Grenzfläche, gemessen bei Licht von 700 nm Wellenlänge.
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)Die Tiefe eines Ätzkegels ist immer etwas kleiner als die Eindringtiefe
des Ions.