WO2017158091A1 - Diffraktives optisches element, verfahren zum herstellen eines diffraktiven optischen elements und laserbauelement - Google Patents

Diffraktives optisches element, verfahren zum herstellen eines diffraktiven optischen elements und laserbauelement Download PDF

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diffractive optical
carrier
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Roland Enzmann
Hubert Halbritter
Adrian Stefan Avramescu
Thomas Hager
Georg ROSSBACH
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • G02B1/02—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of crystals, e.g. rock-salt, semi-conductors

Definitions

  • the present invention relates to a diffractive optical element, a method of manufacturing a diffractive optical element, and a laser device.
  • This patent application claims the priority of German patent application DE 10 2016 105 063.6, which is dependent Offenbarungsge ⁇ hereby incorporated by reference.
  • light emitting devices such as laser devices, equipped with diffractive optical elements which serve to shape light emitted from the light emitting device light of expanding or contracting ERS ⁇ weaken. This may be necessary, for example, to ensure eye safety of the light-emitting component.
  • An object of the present invention is to provide a diffractive optical element. Another object of the present invention is to provide a method for producing a diffractive optical element. Another object of the present invention is to provide a laser device.
  • a diffractive optical element comprises a support and a plurality of nano- or micro-scale rods disposed over an upper surface of the support.
  • the rods are arranged parallel to each other in a regular grid arrangement.
  • the rods of this diffractive optical element may also be referred to as micro or nanorods.
  • the zueinan ⁇ parallel rods of this diffractive optical element can act as a diffraction grating to diffract light transmitted through the diffractive optical element.
  • the diffractive optical element advantageously ⁇ , a beam shaping and / or a beam expander effect.
  • the diffractive optical element can be produced easily and inexpensively.
  • the diffrakti ⁇ ve optical element to be insensitive to environmental influences and mechanical influences and thus have a long life.
  • the diffractive optical element may advantageously be suitable for assembly by reflow soldering.
  • the rods have GaN.
  • the diffractive optical element can thereby be produced by inexpensive standard processes.
  • the rods are arranged in a hexagonal lattice arrangement.
  • a hexagonal lattice arrangement of the rods can be well combined with a hexagonal crystal structure of the material of the rods.
  • the rods each have a hexagonal cross-section.
  • the cross section of the rods may be predetermined, for example, by a crystal structure of the material of the rods.
  • rods with a hexagonal cross-section can be well arranged in a hexagonal grid arrangement.
  • the rods are covered by a protective layer. Before ⁇ geous enough, the protective layer can protect a ten Stäb ⁇ chen against environmental influences and mechanical influences bending. In particular, the protective layer can prevent condensation of water on the rods.
  • the diffractive optical element is characterized robust and can have a long life.
  • a high refractive index difference between the material of the rod and the material of the protective layer may be characterized yield.
  • adjacent rods are spaced apart by a distance of between 0.5 ym and 5 ym, in particular between 1 ym and 3 ym.
  • the diffractive optical element is thereby suitable for diffracting light having a wavelength from the visible spectral range.
  • the rods each have a length which is between 0.5 .mu.m and 50 .mu.m, in particular between 0.5 .mu.m and 3 .mu.m.
  • the diffractive optical element is thereby suitable for diffraction of light having a wavelength from the visible spectral range.
  • the rods each have a diameter which is between 100 nm and 5 ⁇ m.
  • rods with such a diameter can be produced simply, inexpensively and reproducibly.
  • the rods have an average roughness R a of less than 0.5 nm.
  • the diffractive optical element can thereby have low scattering losses.
  • the diffractive optical element has a first group of rods and a second group of rods.
  • the rods of the first group have a greater length than the rods of the second group.
  • the diffractive optical ele ment ⁇ can thereby cause a complex beam-shaping of light is transmitted through the diffractive optical element.
  • the diffractive optical element in this case can serve to generate dot patterns.
  • a method of making a diffractive optical element includes steps of providing a support and epitaxially growing a plurality of parallel nano- or micro-scale rods in a regular grid array over an upper surface of the support.
  • this method allows a simple and inexpensive production of an optical element.
  • the epi ⁇ tactically grown rods can be produced with very high aspect ratio and with very smooth vertical facets.
  • the rods of the diffractive optical element obtainable by the method may serve as a diffraction grating to expand and / or otherwise shape a light beam directed to the diffractive optical element.
  • the method includes a step of forming a mask pattern having a plurality of openings arranged in a regular grid array over an upper surface of the carrier.
  • the rods are grown over the openings of the mask structure.
  • the arrangement of the epitaxially grown rods can be determined by the mask structure.
  • the regular grid arrangement of the epitaxially grown rods forms the regular lattice Order the openings formed in the mask structure after.
  • the mask structure is formed of a silicon oxide.
  • the mask pattern can thus form by standard processes in a simple and kos ⁇ -effective manner.
  • the support is provided with a crystalline buffer layer disposed above its top.
  • the rods are grown over the buffer layer.
  • the crystalline buffer layer allows epitaxial growth of the rods. This makes it possible to use a carrier which does not have a crystal structure or a crystal structure deviating from the rods.
  • the buffer layer comprises GaN or AlN.
  • the method can thereby be carried out simply and inexpensively and using standard processes.
  • this comprises further steps for covering a first group of the rods, wherein a second group of the rods is not covered, and for continuing the epitaxial growth of the rods of the second group.
  • the dif- frine optical element can thus form rods with differing ⁇ cher length.
  • the diffractive optical element thus obtainable can thereby cause a more complex beam shaping, for example a generation of a dot pattern.
  • this comprises a further step of covering the rods with a
  • the chopsticks over ⁇ protective layer covering may influences protection of the rods from environmental ⁇ and provide mechanical influences.
  • the protective layer is applied by a sputtering method.
  • a sputtering method advantageousously, this allows a simple and inexpensive application of the protective layer.
  • a laser device comprises a laser light source and a diffractive optical element of the aforementioned type, which is arranged in the light path of the laser light source.
  • the diffractive optical element can effect beam shaping of a laser beam emitted by the laser light source.
  • the diffractive optical element can expand a laser beam emitted by the laser light source. This makes it possible to ensure, for example, an eye safety of the laser device ⁇ the diffractive optical element.
  • the diffractive optical element can also serve to generate a dot pattern or another light pattern from a laser beam emitted by the laser light source.
  • FIG. 1 shows a carrier with a buffer layer arranged above its upper side
  • FIG. 2 shows the carrier with an over the buffer layer being formed ⁇ mask structure.
  • 3 shows the carrier with rods grown over its upper side;
  • Figure 4 is a perspective view of the above Trä ⁇ ger grown rods.
  • Fig. 5 shows the carrier and the rods with an over the
  • FIG. 6 shows a laser component with a laser light source and a diffractive optical element
  • Fig. 1 is a schematic sectional side view of egg ⁇ nes carrier 100.
  • the carrier 100 has a substantially flat upper surface 101.
  • the carrier 100 may be formed, for example, as a sapphire disk.
  • a buffer ⁇ layer 110 is arranged at the top 101 of the carrier 100.
  • the buffer layer 110 has a kris ⁇ tallines material.
  • the buffer ⁇ layer 110 GaN or A1N have.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional side view of the carrier 100 with the buffer layer 110 arranged above the upper side 101 of the carrier 100 in a processing state which follows the representation of FIG.
  • the mask pattern 120 may comprise a silicon oxide.
  • the mask pattern 120 may be formed by, for example, a lithographic method.
  • the mask structure 120 has a plurality of openings 130. In the region of the openings 130, the buffer layer 110 is located free. The remaining portions of the buffer layer 110 are covered by the mask structure 120.
  • the openings 130 are arranged in a regular grid arrangement 131.
  • the grating assembly 131 may be, for example, a hexagonal grating assembly.
  • FIG. 3 shows a schematic sectional side view of the carrier 100 with the buffer layer 110 arranged above the upper side 101 of the carrier 100 and the mask structure 120 arranged above the buffer layer 110 in a processing state following in the representation of FIG.
  • nanoscale or microscale rods 200 Over the top 101 of the carrier 100, a plurality of nanoscale or microscale rods 200 has been grown.
  • the nanoscale or microscale rods 200 may also be referred to as nanododes or as micro-mods.
  • Fig. 4 shows ei ⁇ ne schematic perspective view of the grown over the top 101 of the carrier 100 sticks 200th
  • the rods 200 have been Herge ⁇ provides by epitaxial growth.
  • the epitaxial growth of the rods 200 has begun in the openings 130 of the mask structure 120 at the buffer layer 110.
  • a rod 200 has grown.
  • the positions of the rods 200 are predetermined by the positions of the opening 130 of the mask structure 120.
  • the rods 200 have grown beyond the mask structure 120 in a direction perpendicular to the upper side 101 of the carrier 100.
  • the rods 200 are perpendicular to the top 101 of Trä ⁇ gers 100 and arranged parallel to each other.
  • the rods 200 are arranged in a regular grid arrangement 201, which has been predetermined by the grid arrangement 131 of the openings 130 of the mask structure 120.
  • the grid arrangement 201 of the rods 200 thus corresponds largely to the grid arrangement 131 provided in the mask structure 120.
  • the grid arrangement 201 of the rods 200 may be a hexagonal grid arrangement.
  • the grid array 201 of the rods 200 could also be an elongated, non-equilateral, hexagonal Gitteranord ⁇ voltage, wherein two opposite sides of the hexagon are longer than the remaining sides of the hexagon.
  • the grating pitch of the grating assembly 201 is greater in a first direction than in a second direction rotated thereto.
  • the rods 200 may include, for example, GaN.
  • Each rod 200 has a cross section 210 oriented parallel to the upper side 101 of the carrier 100.
  • the cross sections te 210 of the rods 200 may for example be formed from hexagonal ⁇ .
  • the cross sections 210 of the rods 200 may be defined by the crystal lattice of the material of the rods 200.
  • Each rod 200 has a diameter 220 dimensioned parallel to the upper side 101 of the carrier 100.
  • the diameter can be, for example, between 100 nm and 5 ym.
  • the diameter 220 of the rods 200 may be 200 nm.
  • the diameters 220 of the rods 200 may be determined by the size of the openings 130 of the mask structure 120.
  • the rods 200 could also have elongated hexagonal cross sections 210 in which two opposite sides of the hexagon are longer than the remaining sides of the hexagon. In this case, the diameter 220 is larger in a first direction than in a second direction Rich ⁇ twisted thereto.
  • Such cross sections 210 can be predefined, for example, by elongated openings 130 of the mask structure 120.
  • Adjacent rods 200 each have a distance 230 from each other.
  • the distance 230 may, for example, between 0.5 ym and 5 ym.
  • the distance 230 may be, for example, between 1 ym and 3 ym.
  • adjacent rods 200 may, for example, have a distance 230 of 2 ym from one another.
  • Each rod 200 has a measured in the direction perpendicular to the upper side 101 of the carrier 100 ⁇ length 240th The County ⁇ ge 240 of the rods 200, for example, between 0.5 .mu.m and 50 .mu.m are.
  • the length 240 of the rods 200 may be, for example, between 0.5 .mu.m and 3 .mu.m.
  • the rods 200 may have a length 240 of 1 ym.
  • the epitaxially grown rods 200 may have very little lateral roughness.
  • the ⁇ be indicated that the outer surfaces of the rods 200 can be very smooth.
  • the outer surfaces of the sticks 200 may have an average roughness R a of less than 0.5 nm ⁇ .
  • FIG. 5 shows a schematic sectional side view of the carrier 100 and the rods 200 arranged above the upper side 101 of the carrier 100 in a processing state which follows the representation of FIG.
  • the rods 200 have been covered with a protective layer 300.
  • the protective layer 300 fills the space between the rods 200.
  • the protective layer 300 also covers the longitudinal ends facing away from the Trä ⁇ ger 100 of the rods 200 so that the rods 200 are fully embedded in the protective layer 300th
  • the protective layer 300 comprises a transparent material whose refractive index expediently differs significantly from the refractive index of the material of the rods 200.
  • the protective layer 300 Si0 2, SiN, Si ⁇ Likon, a phosphate glass, epoxy or Polymethylmethac- triacrylate (PMMA) have.
  • the protective layer 300 may have been applied, for example, by a sputtering method.
  • the diffractive optical element 10 can serve as Beu ⁇ supply gratings for light, for example as Beugungsgit ⁇ ter for light having a wavelength from the visible Spekt ⁇ ral Scheme.
  • the diffractive optical element 10 can serve as game at ⁇ to a light beam such as a laser beam to attenuate, or expand or otherwise to mold.
  • the illuminated by the diffractive optical ele ment 10 ⁇ area may be asymmetrically formed exclusively.
  • the diffractive optical element 10 can advantageously have low scattering losses.
  • Fig. 6 shows a highly schematic block diagram of a laser device 400.
  • the laser device 400 includes a laser light source 410, which is designed to radiate a laser beam ⁇ 430 along a light path 420th
  • the laser light source 410 may comprise a semiconductor laser diode.
  • the laser device 400 further includes the diffractive optical ⁇ specific element 10.
  • the diffractive optical element 10 is DER art in the light path 420 of the laser light source 410 arranged so that the light emitted from the laser light source 410.
  • Laser ⁇ beam 430, the diffractive optical element 10 penetrates.
  • the laser beam 430 impinges on the diffractive optical element 10 in a direction substantially parallel to the rods 200 of the diffractive optical element 10.
  • the diffractive optical element 10 expands the laser beam 430 ⁇ so on, that this widened as
  • Beam 440 emerges from the diffractive optical element 10.
  • the flared beam 440 may be attenuated from the unexpanded laser beam 430 such that there is no danger to the eyes and skin of the flared beam 440.
  • the diffractive optical element 10 of the laser device 400 could also be configured to shape the laser beam 430 in other ways.

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Abstract

Ein diffraktives optisches Element umfasst einen Träger und eine Mehrzahl von nano- oder mikroskaligen Stäbchen, die über einer Oberseite des Trägers angeordnet sind. Dabei sind die Stäbchen parallel zueinander in einer regelmäßigen Gitteranordnung angeordnet.

Description

DIFFRAKTIVES OPTISCHES ELEMENT, VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES DIFFRAKTIVEN OPTISCHEN ELEMENTS UND LASERBAUELEMENT
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein diffraktives optisches Element, ein Verfahren zum Herstellen eines diffraktiven optischen Elements und ein Laserbauelement. Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 105 063.6, deren Offenbarungsge¬ halt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Es ist bekannt, lichtemittierende Bauelemente, beispielsweise Laserbauelemente, mit diffraktiven optischen Elementen auszustatten, die dazu dienen, von dem lichtemittierenden Bauelement abgestrahltes Licht, zu formen, aufzuweiten oder abzu¬ schwächen. Dies kann beispielsweise erforderlich sein, um eine Augensicherheit des lichtemittierenden Bauelements zu ge- währleisten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein diffraktives optisches Element bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfah- ren zum Herstellen eines diffraktiven optischen Elements anzugeben. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Laserbauelement bereitzustellen. Diese Auf¬ gaben werden durch ein diffraktives optisches Element, ein Verfahren zum Herstellen eines diffraktiven optischen Ele- ments und durch ein Laserbauelement mit den Merkmalen der un¬ abhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind verschiedene Weiterbildungen angegeben.
Ein diffraktives optisches Element umfasst einen Träger und eine Mehrzahl von nano- oder mikroskaligen Stäbchen, die über einer Oberseite des Trägers angeordnet sind. Dabei sind die Stäbchen parallel zueinander in einer regelmäßigen Gitteranordnung angeordnet. Die Stäbchen dieses diffraktiven optischen Elements können auch als Mikro- oder Nanorods bezeichnet werden. Die zueinan¬ der parallelen Stäbchen dieses diffraktiven optischen Ele- ments können als Beugungsgitter wirken, um durch das diffrak- tive optische Element durchgestrahltes Licht zu beugen.
Dadurch kann das diffraktive optische Element vorteilhafter¬ weise eine Strahlformung und/oder eine Strahlaufweitung bewirken. Das diffraktive optische Element kann einfach und kostengünstig herstellbar sein. Dabei kann das das diffrakti¬ ve optische Element unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen und mechanischen Einwirkungen sein und dadurch eine hohe Lebensdauer aufweisen. Das diffraktive optische Element kann sich vorteilhafterweise für eine Montage durch Wiederauf- schmelzlöten (Reflow-Löten) eignen.
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements weisen die Stäbchen GaN auf. Vorteilhafterweise lässt sich das diffraktive optische Element dadurch durch kostengünstige Standardprozesse herstellen.
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements sind die Stäbchen in einer hexagonalen Gitteranordnung angeordnet. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch eine Anordnung der Stäbchen, bei der alle direkten Nachbarn eines Stäbchens die gleiche Entfernung aufweisen. Vorteilhafterweise lässt sich eine hexagonale Gitteranordnung der Stäbchen gut mit einer hexagonalen Kristallstruktur des Materials der Stäbchen kombinieren .
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements weisen die Stäbchen jeweils einen hexagonalen Querschnitt auf. Der Querschnitt der Stäbchen kann dabei beispielsweise durch eine Kristallstruktur des Materials der Stäbchen vorge- geben sein. Vorteilhafterweise lassen sich Stäbchen mit einem hexagonalen Querschnitt gut in einer hexagonalen Gitteranordnung anordnen. In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements sind die Stäbchen durch eine Schutzschicht überdeckt. Vor¬ teilhafterweise kann die Schutzschicht einen Schutz der Stäb¬ chen vor Umwelteinflüssen und mechanischen Einwirkungen bie- ten. Insbesondere kann die Schutzschicht eine Kondensation von Wasser an den Stäbchen verhindern. Das diffraktive optische Element ist dadurch robust ausgebildet und kann eine lange Lebensdauer aufweisen. In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements weist die Schutzschicht Si02, SiN, ein Silikon, ein Phosphat¬ glas, ein Epoxid oder Polymethylmethacrylat (PMMA) auf. Vor¬ teilhafterweise kann sich dadurch ein hoher Brechungsindexunterschied zwischen dem Material der Stäbchen und dem Material der Schutzschicht ergeben.
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements weisen benachbarte Stäbchen einen Abstand voneinander auf, der zwischen 0,5 ym und 5 ym beträgt, insbesondere zwischen 1 ym und 3 ym. Vorteilhafterweise eignet sich das diffraktive optische Element dadurch für eine Beugung von Licht mit einer Wellenlänge aus dem sichtbaren Spektralbereich.
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements weisen die Stäbchen jeweils eine Länge auf, die zwischen 0,5 ym und 50 ym liegt, insbesondere zwischen 0,5 ym und 3 ym. Vorteilhafterweise eignet sich das diffraktive optische Element dadurch für Beugung von Licht mit einer Wellenlänge aus dem sichtbaren Spektralbereich.
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements weisen die Stäbchen jeweils einen Durchmesser auf, der zwischen 100 nm und 5 ym liegt. Vorteilhafterweise lassen sich Stäbchen mit solchem Durchmesser einfach, kostengünstig und reproduzierbar herstellen.
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements weisen die Stäbchen eine mittlere Rauheit Ra von weniger als 0,5 nm auf. Vorteilhafterweise kann das diffraktive optische Element dadurch niedrige Streuverluste aufweisen.
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements weist dieses eine erste Gruppe von Stäbchen und eine zweite Gruppe von Stäbchen auf. Dabei weisen die Stäbchen der ersten Gruppe eine größere Länge auf als die Stäbchen der zweiten Gruppe. Vorteilhafterweise kann das diffraktive optische Ele¬ ment dadurch eine komplexe Strahlformung von Licht bewirken, das durch das diffraktive optische Element durchgestrahlt wird. Beispielsweise kann das diffraktive optische Element in diesem Fall zur Erzeugung von Punktmustern dienen.
Ein Verfahren zum Herstellen eines diffraktiven optischen Elements umfasst Schritte zum Bereitstellen eines Trägers und zum epitaktischen Aufwachsen einer Mehrzahl von zueinander parallelen nano- oder mikroskaligen Stäbchen in einer regelmäßigen Gitteranordnung über einer Oberseite des Trägers.
Vorteilhafterweise erlaubt dieses Verfahren eine einfache und kostengünstige Herstellung eines optischen Elements. Die epi¬ taktisch aufgewachsenen Stäbchen können dabei mit sehr hohem Aspektverhältnis und mit sehr glatten vertikalen Facetten hergestellt werden. Die Stäbchen des durch das Verfahren erhältlichen diffraktiven optischen Elements können als Beugungsgitter dienen, um einen auf das diffraktive optische Element gerichteten Lichtstrahl aufzuweiten und/oder anderweitig zu formen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses einen Schritt zum Ausbilden einer Maskenstruktur mit einer Mehrzahl von Öffnungen, die in einer regelmäßigen Gitteranordnung angeordnet sind, über einer Oberseite des Trägers. Dabei werden die Stäbchen über den Öffnungen der Maskenstruktur aufgewachsen. Vorteilhafterweise kann durch die Maskenstruktur die Anordnung der epitaktisch aufgewachsenen Stäbchen festgelegt werden. Die regelmäßige Gitteranordnung der epitaktisch aufgewachsenen Stäbchen bildet dabei die regelmäßige Gitteran- Ordnung der in der Maskenstruktur ausgebildeten Öffnungen nach .
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Maskenstruk- tur aus einem Siliciumoxid ausgebildet. Vorteilhafterweise lässt sich die Maskenstruktur dadurch auf einfache und kos¬ tengünstige Weise durch Standardprozesse ausbilden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Träger mit einer über seiner Oberseite angeordneten kristallinen Pufferschicht bereitgestellt. Dabei werden die Stäbchen über der Pufferschicht aufgewachsen. Vorteilhafterweise ermöglicht die kristalline Pufferschicht ein epitaktisches Aufwachsen der Stäbchen. Dadurch wird es ermöglicht, einen Träger zu verwen- den, der keine Kristallstruktur oder eine von den Stäbchen abweichende Kristallstruktur aufweist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Pufferschicht GaN oder A1N auf. Vorteilhafterweise lässt sich das Verfahren dadurch einfach und kostengünstig und unter Verwendung von Standardprozessen durchführen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses weite¬ re Schritte zum Abdecken einer ersten Gruppe der Stäbchen, wobei eine zweite Gruppe der Stäbchen nicht abgedeckt wird, und zum Fortsetzen des epitaktischen Wachstums der Stäbchen der zweiten Gruppe. Vorteilhafterweise lässt sich das dif- fraktive optische Element dadurch mit Stäbchen unterschiedli¬ cher Länge ausbilden. Das so erhältliche diffraktive optische Element kann dadurch eine komplexere Strahlformung bewirken, beispielsweise eine Erzeugung eines Punktmusters.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses einen weiteren Schritt zum Überdecken der Stäbchen mit einer
Schutzschicht. Vorteilhafterweise kann die die Stäbchen über¬ deckende Schutzschicht einen Schutz der Stäbchen vor Umwelt¬ einflüssen und mechanischen Einwirkungen bieten. Beispiels- weise kann die Schutzschicht eine Kondensation von Feuchtig¬ keit an den Stäbchen verhindern.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Schutz- schicht durch ein Kathodenzerstäubungsverfahren (Sputtern) aufgebracht. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine einfache und kostengünstige Aufbringung der Schutzschicht.
Ein Laserbauelement umfasst eine Laser-Lichtquelle und ein diffraktives optisches Element der vorgenannten Art, das im Lichtweg der Laser-Lichtquelle angeordnet ist.
Vorteilhafterweise kann das diffraktive optische Element eine Strahlformung eines durch die Laser-Lichtquelle emittierten Laserstrahls bewirken. Beispielsweise kann das diffraktive optische Element einen durch die Laser-Lichtquelle emittier¬ ten Laserstrahl aufweiten. Dadurch kann das diffraktive optische Element beispielsweise eine Augensicherheit des Laser¬ bauelements gewährleisten. Das diffraktive optische Element kann auch dazu dienen, aus einem von der Laser-Lichtquelle emittierten Laserstrahl ein Punktmuster oder ein anderes Lichtmuster zu erzeugen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Darstel- lung
Fig. 1 einen Träger mit einer über seiner Oberseite angeordneten Pufferschicht;
Fig. 2 den Träger mit einer über der Pufferschicht ausge¬ bildeten Maskenstruktur; Fig. 3 den Träger mit über seiner Oberseite aufgewachsenen Stäbchen;
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der über dem Trä¬ ger aufgewachsenen Stäbchen;
Fig. 5 den Träger und die Stäbchen mit einer über den
Stäbchen angeordneten Schutzschicht;
Fig. 6 ein Laserbauelement mit einer Laser-Lichtquelle und einem diffraktiven optischen Element; und
Fig. 7 den Träger mit mehreren Gruppen unterschiedlich
langer Stäbchen.
Fig. 1 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht ei¬ nes Trägers 100. Der Träger 100 weist eine im Wesentlichen ebene Oberseite 101 auf. Der Träger 100 kann beispielsweise als Saphirscheibe ausgebildet sein.
An der Oberseite 101 des Trägers 100 ist eine Puffer¬ schicht 110 angeordnet. Die Pufferschicht 110 weist ein kris¬ tallines Material auf. Beispielsweise kann die Puffer¬ schicht 110 GaN oder A1N aufweisen.
Fig. 2 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht des Trägers 100 mit der über der Oberseite 101 des Trägers 100 angeordneten Pufferschicht 110 in einem der Darstellung der Fig. 1 zeitlich nachfolgenden Bearbeitungsstand.
Über der Pufferschicht 110 ist eine Maskenstruktur 120 ausge¬ bildet worden. Die Maskenstruktur 120 kann beispielsweise ein Siliciumoxid aufweisen. Die Maskenstruktur 120 kann beispielsweise durch ein lithographisches Verfahren ausgebildet worden sein.
Die Maskenstruktur 120 weist eine Mehrzahl von Öffnungen 130 auf. Im Bereich der Öffnungen 130 liegt die Pufferschicht 110 frei. Die übrigen Abschnitte der Pufferschicht 110 sind durch die Maskenstruktur 120 abgedeckt.
Die Öffnungen 130 sind in einer regelmäßigen Gitteranordnung 131 angeordnet. Die Gitteranordnung 131 kann beispielsweise eine hexagonale Gitteranordnung sein.
Fig. 3 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht des Trägers 100 mit der über der Oberseite 101 des Trägers 100 angeordneten Pufferschicht 110 und der über der Pufferschicht 110 angeordneten Maskenstruktur 120 in einem der Darstellung der Fig. 2 zeitlich nachfolgenden Bearbeitungsstand.
Über der Oberseite 101 des Trägers 100 ist eine Mehrzahl von nano- oder mikroskaligen Stäbchen 200 aufgewachsen worden.
Die nano- oder mikroskaligen Stäbchen 200 können auch als Na- norods oder als Mikrorods bezeichnet werden. Fig. 4 zeigt ei¬ ne schematische perspektivische Darstellung der über der Oberseite 101 des Trägers 100 aufgewachsenen Stäbchen 200.
Die Stäbchen 200 sind durch epitaktisches Wachstum herge¬ stellt worden. Das epitaktische Wachstum der Stäbchen 200 hat in den Öffnungen 130 der Maskenstruktur 120 an der Pufferschicht 110 begonnen. In jeder Öffnung 130 der Maskenstruk- tur 120 ist ein Stäbchen 200 gewachsen. Dadurch sind die Positionen der Stäbchen 200 durch die Positionen der Öffnung 130 der Maskenstruktur 120 vorgegeben. Dabei sind die Stäbchen 200 in zur Oberseite 101 des Trägers 100 senkrechter Richtung über die Maskenstruktur 120 hinausgewachsen.
Die Stäbchen 200 sind senkrecht zur Oberseite 101 des Trä¬ gers 100 und parallel zueinander angeordnet. Dabei sind die Stäbchen 200 in einer regelmäßigen Gitteranordnung 201 angeordnet, die durch die Gitteranordnung 131 der Öffnungen 130 der Maskenstruktur 120 vorgegeben worden ist. Die Gitteranordnung 201 der Stäbchen 200 entspricht somit weitgehend der Gitteranordnung 131 der in der Maskenstruktur 120 vorgesehe- nen Öffnungen 130. Die Gitteranordnung 201 der Stäbchen 200 kann beispielsweise eine hexagonale Gitteranordnung sein.
Die Gitteranordnung 201 der Stäbchen 200 könnte auch eine langgestreckte, nicht gleichseitige, hexagonale Gitteranord¬ nung sein, bei der zwei einander gegenüberliegende Seiten des Hexagons länger sind als die übrigen Seiten des Hexagons . In diesem Fall ist der Gitterabstand der Gitteranordnung 201 in eine erste Richtung größer als in eine dazu gedrehte zweite Richtung.
Die Stäbchen 200 können beispielsweise GaN aufweisen.
Jedes Stäbchen 200 weist einen parallel zur Oberseite 101 des Trägers 100 orientierten Querschnitt 210 auf. Die Querschnit- te 210 der Stäbchen 200 können beispielsweise hexagonal aus¬ gebildet sein. Die Querschnitte 210 der Stäbchen 200 können durch das Kristallgitter des Materials der Stäbchen 200 festgelegt sein. Jedes Stäbchen 200 weist einen parallel zur Oberseite 101 des Trägers 100 bemessenen Durchmesser 220 auf. Der Durchmesser kann dabei beispielsweise zwischen 100 nm und 5 ym liegen. Beispielsweise kann der Durchmesser 220 der Stäbchen 200 200 nm betragen. Die Durchmesser 220 der Stäbchen 200 können durch die Größe der Öffnungen 130 der Maskenstruktur 120 festgelegt worden sein.
Die Stäbchen 200 könnten auch langgestreckte hexagonale Quer¬ schnitte 210 aufweisen, bei der zwei einander gegenüberlie- gende Seiten des Hexagons länger sind als die übrigen Seiten des Hexagons. In diesem Fall ist der Durchmesser 220 in eine erste Richtung größer als in eine dazu gedrehte zweite Rich¬ tung. Solche Querschnitte 210 können beispielsweise durch langgestreckte Öffnungen 130 der Maskenstruktur 120 vorgege- ben werden.
Benachbarte Stäbchen 200 weisen jeweils einen Abstand 230 voneinander auf. Der Abstand 230 kann beispielsweise zwischen 0,5 ym und 5 ym betragen. Insbesondere kann der Abstand 230 beispielsweise zwischen 1 ym und 3 ym liegen. Insbesondere können benachbarte Stäbchen 200 beispielsweise einen Ab¬ stand 230 von 2 ym voneinander aufweisen.
Jedes Stäbchen 200 weist eine in Richtung senkrecht zur Ober¬ seite 101 des Trägers 100 bemessene Länge 240 auf. Die Län¬ ge 240 der Stäbchen 200 kann beispielsweise zwischen 0,5 ym und 50 ym liegen. Insbesondere kann die Länge 240 der Stäb- chen 200 beispielsweise zwischen 0,5 ym und 3 ym liegen. Die Stäbchen 200 können beispielsweise eine Länge 240 von 1 ym aufweisen .
Die durch epitaktisches Wachstum hergestellten Stäbchen 200 können eine sehr geringe laterale Rauheit aufweisen. Das be¬ deutet, dass die Außenflächen der Stäbchen 200 sehr glatt sein können. Beispielweise können die Außenflächen der Stäbchen 200 eine mittlere Rauheit Ra von weniger als 0,5 nm auf¬ weisen .
Wie Fig. 7 in schematischer Darstellung zeigt, ist es möglich, ausgehend von dem in Fig. 3 gezeigten Bearbeitungsstand, eine erste Gruppe 250 der Stäbchen 200 mit einer schützenden Schicht 310 abzudecken und eine zweite Gruppe 260 der Stäbchen 200 nicht durch die schützende Schicht 310 abzu¬ decken. Anschließend kann das epitaktische Wachstum der Stäb¬ chen 200 der zweiten Gruppe 260 fortgesetzt werden, so dass die Stäbchen 200 der zweiten Gruppe 260 bis zu einer zweiten Länge 270 weiterwachsen, während die durch die schützende Schicht 310 abgedeckten Stäbchen 200 der ersten Gruppe 250 nicht mehr weiterwachsen, sodass ihre Länge 240 nicht weiter zunimmt. Hierdurch wird es ermöglicht, die Stäbchen 200 der zweiten Gruppe 260 mit größerer Länge 270 auszubilden als die Stäbchen 200 der ersten Gruppe 250. Die schützende Schicht 310 kann anschließend entfernt werden. Dann wird das Verfah¬ ren wie nachfolgend beschrieben fortgesetzt. Das beschriebene Verfahren kann auch mehrfach durchgeführt werden, um eine größere Anzahl von Gruppen mit Stäbchen 200 unterschiedlicher Längen anzulegen.
Fig. 5 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht des Trägers 100 und der über der Oberseite 101 des Trägers 100 angeordneten Stäbchen 200 in einem der Darstellung der Fig. 3 zeitlich nachfolgenden Bearbeitungsstand.
Die Stäbchen 200 sind mit einer Schutzschicht 300 überdeckt worden. Die Schutzschicht 300 füllt den Raum zwischen den
Stäbchen 200 und grenzt an die Maskenstruktur 120 an. Gleichzeitig bedeckt die Schutzschicht 300 auch die von dem Trä¬ ger 100 abgewandten Längsenden der Stäbchen 200, so dass die Stäbchen 200 vollständig in die Schutzschicht 300 eingebettet sind.
Die Schutzschicht 300 weist ein transparentes Material auf, dessen Brechungsindex sich zweckmäßigerweise deutlich von dem Brechungsindex des Materials der Stäbchen 200 unterscheidet. Beispielsweise kann die Schutzschicht 300 Si02, SiN, ein Si¬ likon, ein Phosphatglas, ein Epoxid oder Polymethylmethac- rylat (PMMA) aufweisen.
Die Schutzschicht 300 kann beispielsweise durch ein Katho- denzerstäubungsverfahren (Sputtern) aufgebracht worden sein.
Der Träger 100 mit den über der Oberseite 101 des Trägers 100 angeordneten Stäbchen 200 und der die Stäbchen 200 überdeckenden Schutzschicht 300 bildet ein diffraktives optisches Element 10. Das diffraktive optische Element 10 kann als Beu¬ gungsgitter für Licht dienen, beispielsweise als Beugungsgit¬ ter für Licht mit einer Wellenlänge aus dem sichtbaren Spekt¬ ralbereich. Das diffraktive optische Element 10 kann bei¬ spielsweise dazu dienen, einen Lichtstrahl, beispielsweise einen Laserstrahl, abzuschwächen oder aufzuweiten oder anderweitig zu formen. Wenn die Gitteranordnung 201 der Stäbchen 200 und/oder die Querschnitte 210 der Stäbchen 200 nicht gleichseitig ausge¬ bildet sind, kann der durch das diffraktive optische Ele¬ ment 10 beleuchtete Bereich (field of view) asymmetrisch aus- gebildet sein.
Wenn die Stäbchen 200 des diffraktiven optischen Elements 10 eine geringe Rauheit aufweisen, kann das diffraktive optische Element 10 vorteilhaftweise niedrige Streuverluste aufweisen.
Fig. 6 zeigt ein stark schematisiertes Blockschaltbild eines Laserbauelements 400. Das Laserbauelement 400 umfasst eine Laser-Lichtquelle 410, die dazu ausgebildet ist, einen Laser¬ strahl 430 entlang eines Lichtwegs 420 abzustrahlen. Die La- ser-Lichtquelle 410 kann beispielsweise eine Halbleiter- Laserdiode umfassen.
Das Laserbauelement 400 umfasst ferner das diffraktive opti¬ sche Element 10. Das diffraktive optische Element 10 ist der- art im Lichtweg 420 der Laser-Lichtquelle 410 angeordnet, dass der von der Laser-Lichtquelle 410 emittierte Laser¬ strahl 430 das diffraktive optische Element 10 durchdringt. Dabei trifft der Laserstrahl 430 in zu den Stäbchen 200 des diffraktiven optischen Elements 10 im Wesentlichen parallele Richtung auf das diffraktive optische Element 10.
Das diffraktive optische Element 10 weitet den Laser¬ strahl 430 derart auf, dass dieser als aufgeweiteter
Strahl 440 aus dem diffraktiven optischen Element 10 aus- tritt. Der aufgeweitete Strahl 440 kann gegenüber dem nicht- aufgeweiteten Laserstrahl 430 beispielsweise so abgeschwächt sein, dass von dem aufgeweiteten Strahl 440 keine Gefahr für die Augen und die Haut von Personen ausgeht. Das diffraktive optische Element 10 des Laserbauelements 400 könnte auch dazu ausgebildet sein, den Laserstrahl 430 auf andere Weise zu formen. Beispielsweise könnte das diffraktive optische Element 10 ausgebildet sein, den Laserstrahl 430 in eine Mehrzahl einzelner Teilstrahlen aufzuteilen.
Die Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsbei- spiele näher illustriert und beschrieben. Dennoch ist die Er¬ findung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .
BEZUGSZEICHENLISTE
10 diffraktives optisches Element 100 Träger
101 Oberseite
110 Pufferschicht 120 Maskenstruktur
130 Öffnung
131 Gitteranordnung
200 Stäbchen
201 Gitteranordnung
210 Querschnitt
220 Durchmesser
230 Abstand
240 Länge
250 erste Gruppe
260 zweite Gruppe
270 zweite Länge
300 Schutzschicht
310 schützende Schicht
400 Laserbauelement
410 Laser-Lichtquelle
420 Lichtweg
430 Laserstrahl
440 aufgeweiteter Strahl

Claims

PATENTA S PRUCHE
1. Diffraktives optisches Element (10)
mit einem Träger (100)
und einer Mehrzahl von nano- oder mikroskaligen Stäbchen (200), die über einer Oberseite (101) des Trägers (100) angeordnet sind,
wobei die Stäbchen (200) parallel zueinander in einer regelmäßigen Gitteranordnung (201) angeordnet sind.
2. Diffraktives optisches Element (10) gemäß Anspruch 1,
wobei die Stäbchen (200) GaN aufweisen.
3. Diffraktives optisches Element (10) gemäß einem der vor- hergehenden Ansprüche,
wobei die Stäbchen (200) in einer hexagonalen Gitteranordnung (201) angeordnet sind.
4. Diffraktives optisches Element (10) gemäß einem der vor- hergehenden Ansprüche,
wobei die Stäbchen (200) jeweils einen hexagonalen Querschnitt (210) aufweisen.
5. Diffraktives optisches Element (10) gemäß einem der vor- hergehenden Ansprüche,
wobei der Träger (100) als Saphirscheibe ausgebildet ist.
6. Diffraktives optisches Element (10) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei die Stäbchen (200) durch eine Schutzschicht (300) überdeckt sind .
7. Diffraktives optisches Element (10) gemäß Anspruch 6,
wobei die Schutzschicht (300) Si02, SiN, ein Silikon, ein Phosphatglas, ein Epoxid oder Polymethylmethacrylat auf¬ weist.
8. Diffraktives optisches Element (10) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei benachbarte Stäbchen (200) einen Abstand (230) von¬ einander aufweisen, der zwischen 0,5 ym und 5 ym beträgt, insbesondere zwischen 1 ym und 3 ym.
9. Diffraktives optisches Element (10) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei die Stäbchen (200) jeweils eine Länge (240) aufwei¬ sen, die zwischen 0,5 ym und 50 ym liegt, insbesondere zwischen 0,5 ym und 3 ym.
10. Diffraktives optisches Element (10) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei die Stäbchen (200) eine mittlere Rauheit Ra von we¬ niger als 0,5 nm aufweisen.
11. Diffraktives optisches Element (10) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei das diffraktive optische Element (10) eine erste Gruppe (250) von Stäbchen (200) und eine zweite Gruppe (260) von Stäbchen (200) aufweist,
wobei die Stäbchen (200) der zweiten Gruppe (260) eine größere Länge (240) aufweisen als die Stäbchen (200) der ersten Gruppe (250) .
12. Verfahren zum Herstellen eines diffraktiven optischen
Elements (10)
mit den folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Trägers (100);
- Epitaktisches Aufwachsen einer Mehrzahl von zueinander parallelen nano- oder mikroskaligen Stäbchen (200) in einer regelmäßigen Gitteranordnung (201) über einer Oberseite (101) des Trägers (100).
13. Verfahren gemäß Anspruch 12,
wobei das Verfahren den folgenden weiteren Schritt um- fasst : - Ausbilden einer Maskenstruktur (120) mit einer Mehrzahl von Öffnungen (130), die in einer regelmäßigen Gitteranordnung (131) angeordnet sind, über einer Oberseite (101) des Trägers (100);
wobei die Stäbchen (200) über den Öffnungen (130) der
Maskenstruktur (120) aufgewachsen werden.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13,
wobei die Maskenstruktur (120) aus einem Siliciumoxid ausgebildet wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14,
wobei der Träger (100) mit einer über seiner Oberseite (101) angeordneten kristallinen Pufferschicht (110) be- reitgestellt wird,
wobei die Stäbchen (200) über der Pufferschicht (110) aufgewachsen werden.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15,
wobei die Pufferschicht (110) GaN oder A1N aufweist.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16,
wobei das Verfahren die folgenden weiteren Schritte um- fasst :
- Abdecken einer ersten Gruppe (250) der Stäbchen (200), wobei eine zweite Gruppe (260) der Stäbchen (200) nicht abgedeckt wird;
- Fortsetzen des epitaktischen Wachstums der Stäbchen (200) der zweiten Gruppe (260).
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17,
wobei das Verfahren den folgenden weiteren Schritt um- fasst :
- Überdecken der Stäbchen (200) mit einer Schutzschicht (300) .
19. Verfahren gemäß Anspruch 18,
wobei die Schutzschicht (300) durch ein Kathodenzerstäu¬ bungsverfahren aufgebracht wird.
20. Laserbauelement (400)
mit einer Laser-Lichtquelle (410)
und einem diffraktiven optischen Element (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, das im Lichtweg (420) der Laser- Lichtquelle (410) angeordnet ist.
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