Vorrichtung und Verfahren zur Veränderung eines elektromagnetischen Strahlungsfeldes des optischen Spektralbereichs, insbesondere eines Laserstrahlungsfeldes
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung eines elektromagnetischen Strahlungsfeldes des optischen Spektralbereichs, insbesondere eines Laserstrahlungsfeldes. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung.
Elektromagnetisches Strahlungsfeld des optischen Spektralbereichs soll im vorliegenden Fall bedeuten, dass die elektromagnetische Strahlung an optisch funktionalen Grenzflächen gebrochen werden kann. Dies trifft neben dem sichtbaren Bereich auch auf den nahen, mittleren und fernen Infrarotbereich sowie auf den UV-Bereich bis in den Vakuum-UV-Bereich zu.
Wenn ein elektromagnetisches Strahlungsfeld des optischen Spektralbereichs, insbesondere wenn ein Laserstrahlungsfeld in eine Arbeitsebene abgebildet oder fokussiert werden soll, werden zumeist refraktive Elemente wie Linsen verwendet. Die Intensitätsverteilung des Laserstrahlungsfeldes in der Arbeitsebene wird dabei durch die Form und Beschaffenheit der verwendeten Linsen beeinflusst. Wenn beispielsweise eine sphärische Linse für die Abbildung oder die Fokussierung der Laserstrahlung in die Arbeitsebene verwendet wird, ergeben sich Abbildungsfehler aufgrund sphärischer Aberration. Andererseits lassen sich bei sphärischen Linsen die Oberflächen vergleichsweise gut polieren, so dass die Qualität einer sphärischen Oberfläche vergleichsweise gut ist. Wenn jedoch asphärische Linsen benutzt werden, um die vorgenannten Abbildungsfehler zu vermeiden, entstehen unerwünschte Ungleichmäßigkeiten in der
Intensitätsverteilung der Laserstrahlung in der Arbeitsebene aufgrund der ungleichmäßigen Oberfläche der asphärischen Linse.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein Korrekturelement 1 , das beispielsweise zusätzlich zu einer sphärischen Linse verwendet werden kann, um die durch die sphärische Linse hervorgerufenen Abbildungsfehler zu korrigieren. Das in Fig. 1 abgebildete Korrekturelement 1 besteht aus einem Substrat mit einem Brechungsindex n2, der beispielsweise bei Glas in der Größenordnung von etwa 1 ,5 liegt. Demgegenüber weist die umgebende Luft einen Brechungsindex von ni = 1 auf. Das in Fig. 1 abgebildete Korrekturelement 1 weist eine optisch funktionale Grenzfläche 2 auf, die in Fig. 1 zwei Erhebungen und eine Vertiefung zeigt. Die Gestalt der optisch funktionalen Grenzfläche kann variieren, je nachdem ob nur Abbildungsfehler korrigiert werden sollen oder aber ob auch die Intensitätsverteilung des Laserstrahlungsfeldes in der Arbeitsebene hinsichtlich ihrer Form verändert werden soll.
Die Tiefe T1 der Strukturen auf der optisch funktionalen Grenzfläche 2 des Korrekturelementes 1 kann beispielsweise 600 nm betragen. Vermittels derartig tiefer Strukturen und einem Brechungsindex- Unterschied Δn = 0,5 lassen sich die typischen Abbildungsfehler einer sphärischen Linse korrigieren. Um jedoch eine für Hochleistungslaseranwendungen beziehungsweise für Anwendungen in der Chipherstellung oder dergleichen notwendige Gleichmäßigkeit der Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene zu erzielen, muss die Oberflächenrauigkeit der optisch funktionalen Grenzfläche 2 im Bereich von maximal 20 nm bis 30 nm liegen. Eine derartig hochwertige Oberfläche lässt sich mit üblichen Herstellungsmethoden bei asphärischen Oberflächen entweder gar nicht erzielen oder aber nur mit extrem kostenaufwändigen Verfahren, die auf dem Versetzen beziehungsweise Manipulieren einzelner Atome beruhen.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die kostengünstig herstellbar ist und zur Erzeugung einer gleichmäßigen und/oder gezielt veränderten Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes in einer Arbeitsebene und/oder zu einer gezielten Veränderung der Wellenfront oder Phasenfront des Strahlungsfeldes beitragen kann. Weiterhin soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem eine derartige Vorrichtung herstellbar ist, wobei insbesondere gezielt die Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes in der Arbeitsebene und/oder die Wellenfront des Strahlungsfeldes beeinflusst werden soll.
Dies wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 27 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 umfasst:
ein erstes Substrat mit einem ersten Brechungsindex und einer ersten optisch funktionalen Grenzfläche, die zumindest teilweise gekrümmt ist, wobei das zu verändernde elektromagnetische Strahlungsfeld zumindest teilweise durch die erste optisch funktionale Grenzfläche hindurchtreten kann;
ein zweites Substrat mit einem zweiten Brechungsindex und einer zweiten optisch funktionalen Grenzfläche, die zumindest teilweise gekrümmt ist, wobei das zu verändernde elektromagnetische Strahlungsfeld nach Hindurchtritt durch die erste optisch funktionale Grenzfläche zumindest
teilweise durch die zweite optisch funktionale Grenzfläche hindurchtreten kann;
- wobei die Differenz der Brechungsindizes des ersten und des zweiten Substrates kleiner als die Differenz zwischen einem jeden der Brechungsindizes des ersten und des zweiten Substrates und dem Brechungsindex von Luft ist;
wobei die erste und die zweite optisch funktionale Grenzfläche auf einander zugewandten Seiten des ersten und des zweiten Substrates angeordnet sind,
wobei die Krümmungen der ersten und der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche zumindest abschnittsweise einander entsprechen; und
wobei der Zwischenraum zwischen der ersten optisch funktionalen Grenzfläche und der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche derart gestaltet ist, dass das elektromagnetische Strahlungsfeld bei der Ausbreitung von dem ersten Substrat in das zweite Substrat durch die erste und die zweite optisch funktionale Grenzfläche und den dazwischen befindlichen Zwischenraum überwiegend eine Brechung auf Basis eines oder mehrerer Brechungsindex-Differenzen erfährt, die kleiner oder gleich der Differenz der Brechungsindizes des ersten und des zweiten Substrates sind.
Eine derartige Vorrichtung kann entweder zur Korrektur eines elektromagnetischen Strahlungsfeldes oder zur Formung eines elektromagnetischen Strahlungsfeldes verwendet werden, wenn ein gewünschtes Intensitätsprofil in einer Arbeitsebene eingestellt werden
soll. Im Gegensatz zu dem beispielsweise im Stand der Technik verwendeten Korrekturelement gemäß Fig. 1 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht eine optisch funktionale Grenzfläche, sondern zwei vergleichsweise nah benachbarte optisch funktionale Grenzflächen in zwei voneinander separierten Substraten auf. Diese beiden Substrate weisen jedoch keinen so großen Brechungsindexunterschied auf, wie der zwischen Luft und Glas von etwa 0,5. Um trotzdem eine ähnlich starke Beeinflussung der Wellenfront des Strahlungsfeldes zu erreichen beziehungsweise eine ähnlich große Korrektur des Intensitätsprofils in der Arbeitsebene zu erzielen, müssen dementsprechend die Strukturen auf den optisch funktionalen Grenzflächen eine größere Tiefe aufweisen. Andererseits wird aber auch bei einem beispielsweise um einen Faktor 5 kleineren Brechungsindexunterschied die Auswirkung von Oberflächenrauigkeiten auf die Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene ebenfalls um einen Faktor 5 kleiner sein, so dass bei den gleichen hohen Anforderungen wie oben zum Stand der Technik beschrieben nicht mehr Oberflächenrauigkeiten von maximal 20 nm bis 30 nm erreicht werden müssen, sondern nur
Oberflächenrauigkeiten im Bereich zwischen 100 und 150 nm. Dies ist mit deutlich günstigeren Herstellungsverfahren erreichbar. Erfindungsgemäß muss lediglich gemäß der letzten Merkmalsgruppe des Anspruchs 1 gewährleistet sein, dass das elektromagnetische Strahlungsfeld bei der Ausbreitung von dem ersten Substrat in das zweite Substrat durch die erste und die zweite optisch funktionale Grenzfläche und dem dazwischen befindlichen Zwischenraum überwiegend eine Brechung auf Basis einer oder mehrerer vergleichsweise kleiner Brechungsindexdifferenzen erfährt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann dies durch die Wahl eines sehr kleinen Abstandes zwischen der ersten und der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche erzielt werden. Beispielsweise kann dabei gemäß Anspruch 2 vorgesehen sein, dass
das erste Substrat und das zweite Substrat derart angeordnet sind, dass der Abstand zwischen der ersten und der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche zumindest abschnittsweise kleiner als die mittlere Wellenlänge des elektromagnetischen Strahlungsfeldes ist. Insbesondere kann gemäß Anspruch vorgesehen sein, dass das erste Substrat und das zweite Substrat derart angeordnet sind, dass der Abstand zwischen der ersten und der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche zumindest abschnittsweise kleiner als 100 nm ist. Vorzugsweise kann gemäß Anspruch 4 vorgesehen sein, dass das erste Substrat und das zweite Substrat derart angeordnet sind, dass der Abstand zwischen der ersten und der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche zumindest abschnittsweise kleiner als 50 nm ist, insbesondere gemäß Anspruch 5 etwa zwischen 10 und 20 nm beträgt.
Durch derartig kleine Abstände zwischen den optisch funktionalen Grenzflächen wird erreicht, dass eine sich durch das erste Substrat ausbreitende elektromagnetische Welle derart die Atome, Ionen oder Moleküle des ersten Substrates im Bereich der ersten optisch funktionalen Grenzfläche polarisiert beziehungsweise beeinflusst, dass durch diese Polarisation oder Beeinflussung der Materie in der Nähe der ersten optisch funktionalen Grenzfläche gleichzeitig auch Atome, Ionen oder Moleküle in dem zweiten Substrat im Bereich der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche polarisiert oder beeinflusst werden, so dass sich von dieser zweiten optisch funktionalen Grenzfläche eine elektromagnetische Welle in das zweite Substrat ausbreiten kann. Die elektromagnetische Welle greift somit vergleichsweise direkt von dem ersten Substrat in das zweite Substrat ein und erfährt weitestgehend eine Brechung auf Basis des Brechungsindex-Unterschieds zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat. Der Unterschied des Brechungsindex des ersten Substrats zu dem Brechungsindex der sich eventuell in dem Zwischenraum zwischen erstem und zweitem Substrat befindenden Luft ist zwar
größer als der Unterschied der Brechungsindizes der beiden Substrate. Trotzdem wird bei hinreichend kleinem Abstand der beiden optisch funktionalen Grenzflächen zueinander der Übergang der elektromagnetischen Welle von dem ersten Substrat in das zweite Substrat nicht oder nur unwesentlichen von dem Brechungsindex des Zwischenraums beeinflusst, sondern im Wesentlichen nur von der Differenz der Brechungsindizes des ersten Substrates und des zweiten Substrates. Ein hinreichend kleiner Abstand liegt vor, wenn der Abstand zwischen den Grenzflächen kleiner als die Wellenlänge, insbesondere wenn der Abstand klein gegenüber der Wellenlänge ist. Beispielsweise wird sich der Brechungsindex des Mediums des Zwischenraums nur noch sehr wenig auf den Übergang der elektromagnetischen Welle von dem ersten in das zweite Substrat auswirken, wenn der Abstand weniger als 1 /10 der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung beträgt. Dies könnte bei UV-Lasern von Wellenlängen im Bereich von 250 nm bei Abständen kleiner 25 nm gegeben sein.
Gemäß einer zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform der Erfindung schlägt Anspruch 6 vor, dass in dem Zwischenraum zwischen erster optisch funktionaler Grenzfläche und zweiter optisch funktionaler Grenzfläche zumindest abschnittsweise eine Substanz angeordnet ist, die einen Brechungsindex größer 1 aufweist. Dabei kann gemäß Anspruch 7 vorgesehen sein, dass in dem Zwischenraum zwischen erster optisch funktionaler Grenzfläche und zweiter optisch funktionaler Grenzfläche zumindest abschnittsweise eine Substanz angeordnet ist, die einen Brechungsindex aufweist, der weniger als 0, 1 von einem jeden der Brechungsindizes des ersten und des zweiten Substrates verschieden ist. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass in dem Zwischenraum zwischen erster optisch funktionaler Grenzfläche und zweiter optisch funktionaler Grenzfläche zumindest abschnittsweise eine Substanz angeordnet ist, die einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der größere der beiden
Brechungsindizes des ersten und des zweiten Substrates und größer ist als der kleinere der beiden Brechungsindizes des ersten und des zweiten Substrates. Gemäß einer besonderen Gestaltung kann dabei vorgesehen sein, dass in dem Zwischenraum zwischen erster optisch funktionaler Grenzfläche und zweiter optisch funktionaler Grenzfläche zumindest abschnittsweise ein Immersionsöl angeordnet ist. Das Vorsehen einer immersiven Substanz zwischen den beiden optisch funktionalen Grenzflächen kann ebenfalls verhindern, dass das elektromagnetische Strahlungsfeld bei dem Übergang von dem ersten Substrat in das zweite Substrat nicht aufgrund von Brechungsindexunterschieden gebrochen wird, die größer sind als die Differenz der Brechungsindizes des ersten und des zweiten Substrates. Somit kann beispielsweise in den Zwischenraum zwischen den optisch funktionalen Grenzflächen ein Immersionsöl eingebracht werden, das einen Brechungsindex hat, der zwischen den Brechungsindizes des ersten und des zweiten Substrates angeordnet ist.
Gemäß Anspruch 10 kann vorgesehen sein, dass die Krümmung der ersten optisch funktionalen Grenzfläche derart der Krümmung der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche entspricht, dass die Grenzflächen vergleichsweise passend ineinander greifen. Bei exakt einander entsprechenden Krümmungen lassen sich die beiden optisch funktionalen Grenzflächen sehr nahe aneinander annähern.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Differenz der Brechungsindizes des ersten und des zweiten Substrates kleiner als 0,01 , insbesondere kleiner als 0,01 , vorzugsweise etwa 0,005 sein. Durch derart kleine Brechungsindexunterschiede lassen sich die Auswirkungen von Oberflächenrauigkeiten auf die Qualität der Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene deutlich verkleinern. Beispielsweise wird bei einer Differenz der Brechungsindizes im Bereich von 0,005 im Gegensatz
zu einer Brechungsindex-Differenz von 0,5 gemäß dem Stand der Technik eine um einen Faktor 100 größere Toleranz gegen Oberflächenrauigkeiten erzielt. Beispielsweise sind dann bei entsprechenden Anforderungen an die Gleichmäßigkeit des Intensitätsprofils Oberflächenrauigkeiten in der Größenordnung zwischen 2 μm und 3 μm tolerierbar. Derartige Oberflächen lassen sich jedoch sehr einfach und kostengünstig herstellen.
Dementsprechend kann dann vorgesehen werden, dass die Tiefe der Struktur, die zu der Krümmung der ersten optisch funktionalen Grenzfläche und/oder der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche beitragen, größer als 10 μm, vorzugsweise größer als 50 μm ist. Derartig tiefe Strukturen lassen sich jedoch mit entsprechenden Fertigungsverfahren ebenfalls einfach und kostengünstig herstellen.
Gemäß Anspruch 16 kann vorgesehen sein, dass die erste optisch funktionale Grenzfläche und/oder die zweite optisch funktionale Grenzfläche zumindest abschnittsweise eine rotationssymmetrische Krümmung hinsichtlich der mittleren Ausbreitungsrichtung des zu verändernden Strahlungsfeldes aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann gemäß Anspruch 17 vorgesehen sein, dass die erste optisch funktionale Grenzfläche und/oder die zweite optisch funktionale Grenzfläche zumindest abschnittsweise eine teilzylindrische Krümmung aufweisen. Durch das Vorsehen von zumindest abschnittsweisen teilzylindrischen Krümmungen lassen sich die Oberflächen der optisch funktionalen Grenzfläche unter Umständen einfacher herstellen.
Alternativ oder zusätzlich kann gemäß Anspruch 18 vorgesehen sein, dass die erste optisch funktionale Grenzfläche und/oder die zweite optisch funktionale Grenzfläche zumindest abschnittsweise eine asphärische Krümmung aufweisen. Durch das Vorsehen von
asphärischen Krümmungen lassen sich beispielsweise sphärische Abberationen, die durch die Abbildung oder Fokussierung in eine Arbeitsebene vermittels sphärischer Linsen entstehen, korrigieren.
Die erste und die zweite optisch funktionale Grenzfläche lassen sich insbesondere vergleichsweise beliebig gestalten, um eine gewünschte Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene zu erzielen.
Gemäß Anspruch 19 kann vorgesehen sein, dass das erste Substrat und/oder das zweite Substrat Positioniermittel umfassen, die eine vergleichsweise passende Positionierung der ersten optisch funktionalen Grenzfläche an der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche ermöglichen. Dabei können beispielsweise gemäß Anspruch 20 die Positioniermittel als Nuten und/oder längliche Erhebungen ausgebildet sein. Vermittels derartiger Positioniermittel können die optisch funktionalen Grenzflächen exakt aufeinander positioniert werden, um einen möglichst kleinen Abstand zwischen den optisch funktionalen Grenzflächen sowie eine möglichst exakte Positionierung in Querrichtung zueinander zu erreichen, um die gewünschte Beeinflussung der Wellenfront der elektromagnetischen Strahlung zu erzielen.
Gemäß Anspruch 21 besteht die Möglichkeit, dass das erste Substrat und/oder das zweite Substrat auf der von den optisch funktionalen Grenzflächen abgewandten Seite zumindest abschnittsweise plan ist. Derartig plane Oberflächen des Substrates lassen sich mit einfachen Mitteln mit sehr geringen Oberflächenrauigkeiten herstellen, so dass auch diese Grenzflächen, durch die die elektromagnetische Strahlung hindurchtreten muss, die zu erzielende Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene nicht nachteilig beeinflussen.
Gemäß Anspruch 22 besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Vorrichtung
ein drittes Substrat mit einem dritten Brechungsindex und einer dritten optisch funktionalen Grenzfläche umfasst, die zumindest teilweise gekrümmt ist, wobei das zu verändernde elektromagnetische Strahlungsfeld zumindest teilweise durch die dritte optisch funktionale Grenzfläche hindurchtreten kann; sowie weiterhin
ein viertes Substrat mit einem vierten Brechungsindex und einer vierten optisch funktionalen Grenzfläche umfasst, die zumindest teilweise gekrümmt ist, wobei das zu verändernde elektromagnetische Strahlungsfeld nach Hindurchtritt durch die dritte optisch funktionale Grenzfläche zumindest teilweise durch die vierte optisch funktionale Grenzfläche hindurchtreten kann;
- wobei die Differenz der Brechungsindizes des dritten und des vierten Substrates kleiner als die Differenz zwischen einem jeden der Brechungsindizes des dritten und des vierten Substrates und dem Brechungsindex von Luft ist;
- wobei die dritte und die vierte optisch funktionale Grenzfläche auf einander zugewandten Seiten des dritten und des vierten Substrates angeordnet sind,
- wobei die Krümmungen der dritten und der vierten optisch funktionalen Grenzfläche zumindest abschnittsweise einander entsprechen;
- wobei der Zwischenraum zwischen der dritten optisch funktionalen Grenzfläche und der vierten optisch funktionalen Grenzfläche derart gestaltet ist, dass das elektromagnetische Strahlungsfeld bei der Ausbreitung von dem dritten Substrat in das vierte Substrat durch die
dritte und die vierte optisch funktionale Grenzfläche und den dazwischen befindlichen Zwischenraum überwiegend eine Brechung auf Basis eines oder mehrerer Brechungsindex-Differenzen erfährt, die kleiner oder gleich der Differenz der Brechungsindizes des dritten und des vierten Substrates basiert.
Vermittels derartiger dritter und vierter gekrümmter optisch funktionaler Grenzflächen lassen sich weitere Veränderungen an der Wellenfront der elektromagnetischen Strahlung bewirken. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, dass die erste und die zweite optisch funktionale Grenzfläche eine zylindrische Struktur mit Zylinderachsen in einer ersten Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung aufweisen, wohingegen die dritten und die vierten optisch funktionalen Grenzflächen eine zylindrische Struktur mit Zylinderachsen in einer zweiten Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung aufweisen, die weiterhin auch senkrecht zu der ersten Richtung ist. Auf diese Weise bilden die ersten und die zweiten zylindrischen Grenzflächen auf der einen Seite und die zweiten und die dritten zylindrischen Grenzflächen auf der anderen Seite zueinander gekreuzte Zylinderlinsen, die die durch sie hindurchtretende elektromagnetische Strahlung in zwei zueinander senkrechten Richtungen beeinflussen können.
Hierbei kann gemäß Anspruch 23 vorgesehen sein, dass das dritte Substrat und/oder das vierte Substrat Positioniermittel umfassen, die eine vergleichsweise passende Positionierung der dritten optisch funktionalen Grenzfläche an der vierten optisch funktionalen Grenzfläche ermöglichen. Weiterhin können auch Positioniermittel vorgesehen sein, die eine Positionierung des ersten und des zweiten Substrates an dem dritten und dem vierten Substrat ermöglichen, so
dass die gesamte Vorrichtung durch die Positioniermittel exakt zusammengebaut werden kann.
Gemäß Anspruch 24 besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung mehr als vier Substrate mit mehr als vier optisch funktionalen Grenzflächen umfasst, die ähnlich zueinander angeordnet sind wie die ersten und zweiten beziehungsweise dritten und vierten. Es besteht also die Möglichkeit, eine ganze Reihe von Substraten hintereinander aufzubauen, so dass eine ganze Reihe von optisch funktionalen Grenzflächen jeweils paarweise zusammenwirken und zur Veränderung der Intensitätsverteilung des elektromagnetischen Strahlungsfeldes beziehungsweise zur Veränderung der Wellenfront der elektromagnetischen Strahlung beitragen.
Es besteht weiterhin gemäß Anspruch 25 die Möglichkeit, dass die Vorrichtung zusätzlich zu den mindestens zwei Substraten mindestens ein Linsenmittel umfasst, das eine zumindest teilweise Fokussierung des elektromagnetischen Strahlungsfeldes in eine Arbeitsebene ermöglicht.
Hierbei kann beispielsweise gemäß Anspruch 26 das mindestens eine Linsenmittel zumindest abschnittsweise eine sphärische Krümmung aufweisen. In diesem Fall wirken die Substrate mit den optisch funktionalen Grenzflächen weitestgehend als Korrekturelemente für das beispielsweise mit einer sphärischen Oberfläche ausgestaltete Linsenmittel, das im Wesentlichen die Abbildung oder Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung in die Arbeitsebene bewirkt.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 27 umfasst folgende Verfahrensschritte:
Die Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung in der Arbeitsebene wird ermittelt;
die ermittelte Intensitätsverteilung wird mit der gewünschten Intensitätsverteilung verglichen;
aus dem Unterschied zwischen ermittelter und gewünschter Intensitätsverteilung wird die Form der ersten und der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche, derart, dass bei Einfügen einer ersten und einer zweiten optisch funktionalen Grenzfläche mit den berechneten Formen in den Strahlengang des elektromagnetischen Feldes die gewünschte Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene erzielbar ist;
die erste und die zweite optisch funktionale Grenzfläche werden in der berechneten Form hergestellt.
Durch ein derartiges Verfahren lässt sich letztlich eine Vorrichtung herstellen, mit der eine im Wesentlichen beliebig gestaltete Intensitätsverteilung in einer Arbeitsebene erzielbar ist. Beispielsweise könnte es sich bei einer derartigen Intensitätsverteilung um eine rechteckförmige, sogenannte „Top Hat"- Verteilung handeln. Es besteht durchaus auch die Möglichkeit, andere Intensitätsverteilungen, wie beispielsweise dreieckige Intensitätsverteilung oder dergleichen herzustellen. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine beliebige zu erstellende Intensitätsverteilung ausgewählt werden und mit der Intensitätsverteilung verglichen werden, die ohne Einfügung der ersten und der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche in der Arbeitsebene entsteht. Aufgrund der Differenz zwischen der gewünschten und der ermittelten Intensitätsverteilung kann die Form der ersten und der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche berechnet werden, so dass nach Einbringung der ersten und zweiten optisch funktionalen Grenzfläche die gewünschte Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene erzielt werden kann.
Dabei kann gemäß Anspruch 28 vorgesehen werden, dass die Berechnung der Form der ersten und der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche unter Vorgabe der Brechungsindizes des ersten und des zweiten Substrates durchgeführt wird. Die Brechungsindizes der Substrate können nach den Anforderungen an die Qualität des Intensitätsprofils ausgewählt werden, wobei die Differenz zwischen den Brechungsindizes in der Regel dann kleiner sein sollte, wenn die Anforderungen an die Qualität der Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene höher sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 schematisch ein optisches Korrekturelement gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 3 eine Detailansicht gemäß dem Pfeil IM in Fig. 2.
Das aus Fig. 2 ersichtliche Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst ein erstes Substrat 3 mit einem ersten Brechungsindex n2 und ein zweites Substrat 4 mit einem zweiten Brechungsindex n3. Das erste Substrat 3 weist auf seiner in Fig. 2 unteren Seite eine erste optisch funktionale Grenzfläche 5 auf. Das zweite Substrat 4 weist auf seiner in Fig. 2 oberen Seite eine zweite optisch funktionale Grenzfläche 6 auf. Die Substrate 3, 4 weisen auf ihren von den optisch funktionalen Grenzflächen 5, 6 abgewandten Seiten plane Grenzflächen 7, 8 auf. Das erste Substrat 3 und das zweite Substrat 4 sind beispielsweise von Luft umgeben, die einen Brechungsindex von ni = 1 aufweisen kann.
Die erste optisch funktionale Grenzfläche 5 und die zweite optisch funktionale Grenzfläche 6 weisen gekrümmte Strukturen auf, deren Tiefe T2 vergleichsweise groß sein kann, beispielsweise mehr als 10 μm betragen kann, insbesondere etwa 50 bis 60 μm betragen kann.
Aus Fig. 3 ist detailliert ersichtlich, dass die erste optisch funktionale Grenzfläche 5 und die zweite optisch funktionale Grenzfläche 6 im
Wesentlichen die gleiche Krümmung beziehungsweise die gleiche Form aufweisen, so dass sie zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen. Der Abstand d der optisch funktionalen Grenzflächen 5, 6 zueinander (siehe dazu Fig. 3) kann vergleichsweise klein sein, insbesondere etwa 10 nm bis 20 nm betragen.
Es besteht die Möglichkeit, dass in dem Zwischenraum 9 zwischen der ersten optisch funktionalen Grenzfläche 5 und der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche 6 Luft mit einem Brechungsindex ni = 1 vorgesehen ist. Alternativ dazu kann jedoch in dem Zwischenraum 9 eine Substanz mit einem Brechungsindex größer 1 vorgesehen sein. Insbesondere kann eine immersive Substanz, vorzugsweise ein Immersionsöl vorgesehen sein, dessen Brechungsindex im Bereich der Größenordnung von n2 und n3 liegt.
Es besteht insbesondere die Möglichkeit, dass der Brechungsindex n2 des ersten Substrates 3 etwa 1 ,500 beträgt und dass weiterhin der Brechungsindex n3 des zweiten Substrates 4 etwa 1 ,505 beträgt, so dass die Differenz Δn zwischen den Brechungsindizes der Substrate 3, 4 etwa 0,005 beträgt. In einem derartigen Fall kann beispielsweise der Brechungsindex des Immersionsöls 1 ,503 betragen.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Oberflächenkrümmungen der ersten und der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche zylindrisch ausgebildet sind, so dass sie sich ohne Veränderungen in die Zeichenebene der Fig. 2 erstrecken. In einem derartigen Fall kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn dritte und vierte funktionale Grenzflächen vorgesehen sind, die ähnlich angeordnet sind wie die ersten und zweiten optisch funktionalen Grenzflächen, jedoch Zylinderachsen aufweisen, die senkrecht zu denen der ersten und zweiten optisch funktionalen Grenzfläche ausgebildet sind. Auf diese
Weise ergeben sich zueinander gekreuzte Zylinderlinsen, die die elektromagnetische Strahlung in zwei zueinander senkrechten Richtungen beeinflussen können.
Durch die in Fig. 2 gezeigten Substrate 3, 4 kann elektromagnetische Strahlung, beispielsweise in Form von Laserstrahlung beispielsweise von oben nach unten in Fig. 2 hindurchtreten. Ein Laserstrahl würde somit in die in Fig. 2 obere plane Grenzfläche 7 eintreten und aus dem ersten Substrat 3 durch die erste optisch funktionale Grenzfläche 5 austreten. Weiterhin würde der aus der ersten optisch funktionalen Grenzfläche 5 ausgetretene Laserstrahl in die zweite optisch funktionale Grenzfläche 6 des zweiten Substrates 4 eintreten und dieses durch die untere plane Grenzfläche 8 verlassen.
Insbesondere bei einem sehr kleinen Abstand d von beispielsweise 10 nm bis 20 nm der optisch funktionalen Grenzflächen 5, 6 zueinander wird die Laserstrahlung beim Übergang von dem ersten Substrat 3 in das zweite Substrat 4 nicht oder nur unwesentlich durch den Brechungsindex des in dem Zwischenraum 9 befindlichen Mediums beeinflusst, sondern fast ausschließlich durch den Brechungsindex- Unterschied zwischen dem ersten Substrat 3 und dem zweiten Substrat 4. Dies hat seinen Grund darin, dass die elektromagnetische Welle gegenüber dem Abstand d eine doch vergleichsweise große Wellenlänge beziehungsweise Ausdehnung aufweist, so dass die elektromagnetische Welle beinahe ungehindert durch den Zwischenraum 9 hindurchgreift. Das elektromagnetische Feld der Laserstrahlung bewirkt im Bereich der ersten optisch funktionalen Grenzfläche 5 eine Veränderung des beispielsweise dielektrischen Mediums des ersten Substrates 3, die wiederum direkt aufgrund des kleinen Abstandes d eine Veränderung des beispielsweise ebenfalls dielektrischen Mediums des zweiten Substrates 4 im Bereich der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche 6 bewirkt. Diese im Bereich
der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche 6 bewirkte Veränderung des beispielsweise dielektrischen Mediums bewirkt ihrerseits die Ausbreitung der elektromagnetischen Welle nach unten in Fig. 3 in dem zweiten Substrat 4.
Aufgrund der Tatsache, dass somit die elektromagnetische Welle beziehungsweise die zu verändernde Laserstrahlung lediglich sehr kleine Brechungsindexvariationen im Bereich der optisch funktionalen Grenzflächen 5, 6 erfährt, sind die Auswirkungen etwaiger Oberflächenrauigkeiten auf die gewünschte Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene vergleichsweise gering. Das bedeutet aber, dass vergleichsweise große Oberflächenrauigkeiten von bis zu einigen μm akzeptiert werden können. Derartig raue Oberflächen lassen sich jedoch sehr einfach und kostengünstig herstellen. Um trotzdem entsprechend große Auswirkungen der gezielt erstellten Krümmungen der optisch funktionalen Grenzflächen 5, 6 auf die Wellenfront beziehungsweise die Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene haben zu können, wird die Tiefe T2 der Strukturen der Krümmungen der optisch funktionalen Grenzflächen 5, 6 entsprechend groß gewählt, beispielsweise im Bereich von 60 μm wie bereits beschrieben.