WO2021223992A1

WO2021223992A1 - Anordnung optischer elemente und verfahren für die ausbildung von strukturmustern

Info

Publication number: WO2021223992A1
Application number: PCT/EP2021/060065
Authority: WO
Inventors: Sascha TEUTOBURG-WEISS; Andrés F. LASAGNI
Original assignee: Technische Universität Dresden
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2021-11-11
Also published as: EP4146430A1; DE102020205849A1; US20230069848A1

Abstract

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

Description

Anordnung optischer Elemente und Verfahren für die Ausbildung von Struk turmustern Die Erfindung betrifft eine Anordnung optischer Elemente und ein Verfahren für die Ausbildung von Strukturmustern, die mit einem kompakten, optischen Aufbau zum Erzeugen periodisch ausgeprägter Intensitäten von Laserstrah lung zur Strukturierung von Oberflächen ausgebildet werden können. Das da bei angewandte Verfahren zur Ausprägung der Intensitätsverteilung ist die La- serinterferenzstrukturierung. Interferenzmuster wurden bisher durch den Einsatz von einem oder mehreren Strahlteiler(n) erhalten. Die so entstehenden Teilstrahlen werden durch re flektierende bzw. refraktive optische Elemente in unterschiedlichen Winkeln

5 auf einen gleichen Bereich abgelenkt und dort überlagert, um dort ein Struk turmuster auszubilden. Dieser Ansatz erfordert eine präzise Ausrichtung der reflektierenden Elemente unter Beachtung von übereinstimmenden Weglän gen derTeilstrahlen und genügend Raum für den Aufbau.

10 Da die Strukturperiode L des Interferenzmusters vom eingeschlossenen Win kel Q der Teilstrahlen abhängig ist, bedingt eine Änderung dieser stets eine er neute, aufwändige Justierung.

Eine weitere bekannte Möglichkeit ist es, die Strahlteilung mit Hilfe von dif-

15 fraktiven optischen Elementen (DOEs) zu erreichen. Die Teilstrahlen werden dabei nach dem Durchgang eines diffraktiven optischen Elements mit einem vom DOE und der Laserwellenlänge abhängigen Winkel abgelenkt. Die weite ren Strahl Verläufe von Teilstrahlen eines geteilten Laserstrahls können einmal mittels zwei fokussierender Optiken beeinflusst werden. Dazu wird der Strahl

20 teilungspunkt am DOE auf der Oberfläche abgebildet. Eine erste Linse mit Fo kus auf dem DOE parallelisiert die Teilstrahlen, die dann durch eine zweite Fo kusoptik in Richtung eines Bauteils fokussiert und überlagert werden. Auf grund fester Brennweiten bei optischen Linsen wird zur Änderung der Struk turperiode L mindestens eine der beiden Fokusoptiken mit einer davon unter

25 scheidbaren Brennweite ersetzt.

Zum anderen, kann eine variable Änderung der Strukturperiode L dadurch er reicht werden, dass die durch ein DOE erhaltenen Teilstrahlen mit einem Prisma oder einer optischen Konfiguration gleicher Wirkung parallelisiert wer

BO den, wie dies in EP 2 976 176 Bl beschrieben ist. Der axiale Abstand von Prisma zum DOE bestimmt das lokale Auftreffen der Teilstrahlen auf dem Prisma und dadurch den effektiven Abstand zwischen ihnen. Eine nachge schaltete optische Linse fokussiert und überlagert die parallel eintreffenden Teilstrahlen, wobei der Winkel und die daraus resultierende Periode aufgrund

35 der festen Brennweite durch den Abstand der Teilstrahlen eingestellt werden kann. Zur exakten Parallelisierung der Teilstrahlen ist die Kombination von DOE und Prisma bezüglich des Abstrahlwinkels (DOE) und Basiswinkel (Prisma) für die entsprechende Wellenlänge entscheidend. Zudem sind zwei präzise ge fertigte, optische Elemente notwendig.

5 Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen äußerst kompakten Aufbau für die direkte Laserinterferenzstrukturierung (DLIP), unter Beibehaltung der Flexibili tät einer veränderbaren Strukturperiode, mit einer Reduzierung der erforder lichen optischen Elemente und des erforderlichen Bauvolumens, zur Verfü gung zu stellen.

10

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer optischen Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 11 betrifft ein Verfah ren. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in unter geordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.

15

Erfindungsgemäß ist ein dreieckiges oder viereckiges Prisma mit zwei dreiecki gen Teilprismen gebildet, die an einer planaren Fläche mittels einer mindes tens einen Laserstrahl in Teilstrahlen teilende Eigenschaften aufweisenden Schicht miteinander verbunden sind.

20

Die zwei Teilprismen weisen zwei gleiche spitze Winkel a auf, die jeweils zwi schen der planaren Fläche an der die zwei Teilprismen miteinander verbunden sind und einer nach außen weisenden Oberfläche angeordnet sind.

25 Der mindestens eine Laserstrahl ist auf eine der nach außen weisenden Ober flächen eines der zwei Teilprismen gerichtet. Dabei sollte der mindestens eine Laserstrahl bevorzugt senkrecht auf die nach außen weisende Oberfläche des einen der zwei Teilprismen gerichtet werden, um Reflexionsverluste weitest gehend vermeiden zu können.

BO

Die Teilung des Laserstrahls in Teilstrahlen erfolgt an der Schicht, mit der die zwei Teilprismen verbunden sind, durch Reflexion eines Teils der Strahlung an der Schicht und Transmission eines weiteren Teils der Strahlung durch die Schicht. Dazu trifft der mindestens eine Laserstrahl auf die Schicht auf.

35

Die dadurch erhaltenen Teilstrahlen treffen dann auf jeweils eine nach außen weisende Oberfläche eines der zwei Teilprismen auf. Von dort treffen die dort reflektierten Teilstrahlen auf mindesten ein optisches Element auf, das so aus gebildet ist, dass die Teilstrahlen ausgerichtet, insbesondere so fokussiert werden, so dass sie in einem Bereich eines Bauteils miteinander interferieren, in dem ein Strukturmuster ausgebildet werden soll. Die Funktion des mindes tens einen optischen Elements kann dabei auch die Oberfläche der zwei ein zelnen Prismen sein an denen die Teilstrahlen austreten. Demnach können die erhaltenen Teilstrahlen auch allein oder zusätzlich zu dem mindestens einen optischen Element dadurch beeinflusst werden, dass der Einfallswinkel des mindestens einen Laserstrahls auf die nach außen wei sende Oberfläche des einen der zwei Teilprismen sowie die Winkel a, ß und g der zwei Teilprismen unter Berücksichtigung der Wellenlänge des mindestens einen Laserstrahls und der optischen Brechzahl der zwei Teilprismen so ge wählt sind, dass die Teilstrahlen so ausgerichtet werden, dass sie in einem Be reich eines Bauteils miteinander interferieren, in dem ein Strukturmuster aus gebildet werden soll.

Der spitze Winkel a ist an der Seite der zwei Teilprismen angeordnet, die der Fläche gegenüberliegt an der die Teilstrahlen aus dem Prisma austreten.

Der mindestens eine Laserstrahl sollte vor dem Auftreffen auf eine der nach außen weisenden Oberflächen eines der zwei Teilprismen modifiziert, bevor zugt in seiner Polarisation an die Strahlteilerschicht angepasst sein, um eine gleichmäßige Verteilung der Energie in die Teilstrahlen zu gewährleisten. Da bei kann die die räumliche Intensitätsverteilung des auf die jeweilige Oberflä che eines der zwei Teilprismen gerichteten Laserstrahls frei angepasst wer den. Der mindestens eine Laserstrahl kann beispielsweise mittels eines Zylin derlinsensystems linienförmig geformt oder mit geeigneten optischen Ele menten in ein Flat-Top Profil konvertiert werden.

Ausgehend von einer zumeist radial gaußverteilten Laserstrahlungsenergie verteilung in der Querschnittsfläche eines Laserstrahls kann ein linienförmiger Strahlquerschnitt als ein Beispiel einer gleichmäßigeren räumlichen Intensi tätsverteilung gewählt werden. Eine lineare Polarisation ist nicht zwingend er forderlich. Die Polarisation sollte jedoch passend zur jeweiligen Strahlteiler schicht gewählt werden oder gemäß den physikalischen Prinzipien der zur Strahlteilung eingesetzten Schicht im Vorfeld angepasst werden, damit ein möglichst gleiches energetische Verhältnis bei den Teilstrahlen eingehalten werden kann. Beispielsweise kann eine lineare Polarisation des von der jewei ligen Strahlquelle emittierten Laserstrahls in die richtige räumlichen Orientie rung gedreht oder auch ein Wechsel von linearer Polarisation des Laserstrahls in zirkular polarisierte Laserstrahlung vorgenommen werden.

Die zwei Teilprismen können jeweils gleich ausgebildet sein. Dabei können an den zwei Teilprismen vorteilhaft jeweils zwei Oberflächen in einem Winkel a von SO ° und jeweils zwei Oberflächen in einen Winkel ß von 60 ° zueinander ausgerichtet sein. Dadurch bilden die zwei miteinander verbundenen zwei Teilprismen ein gleichschenkliges Dreieck bei denen die drei Oberflächen je weils die gleiche Länge zwischen den Kanten mit den spitzen Winkeln aufwei sen.

Vorteilhaft kann die Auftreffposition des mindestens einen Laserstrahls auf die Oberfläche des einen der zwei Teilprismen durch eine Relativbewegung des Brennflecks des Laserstrahls auf der nach außen weisenden Oberfläche und der Position des Prisma verändert werden, so dass sich der Abstand DE der Auftreffposition zu der Spitze der zwei Teilprismen des damit gebildeten Prisma und dadurch der Einfallswinkel Q der Teilstrahlen in den Bereich, in dem die Teilstrahlen miteinander interferieren, verändern lässt. Der mindes tens eine Laserstrahl kann dazu durch eine translatorische Verschiebung ent sprechend bewegt werden. Er sollte dabei aber möglichst immer senkrecht auf die entsprechende Oberfläche auftreffen um Strahlungsverluste durch Re flexion zu vermeiden.

Der mindestens eine Laserstrahl kann mittels eines geeigneten reflektieren den optischen Elements auf die nach außen weisende Oberfläche gerichtet werden.

Zwischen dem mit den zwei Teilprismen gebildeten Prisma und dem mindes tens einen optischen Element kann ein weiteres Prisma, das mit zwei weiteren Teilprismen, die mittels einer Schicht stoffschlüssig miteinander verbunden sind, angeordnet sein, auf das ein weiterer Laserstrahl senkrecht auf eine Oberfläche des weiteren Prisma gerichtet ist und mit dem weiteren Prisma der weitere Laserstrahl so transmittiert und reflektiert wird, dass weitere Teil strahlen von diesem weiteren Prisma auf das mindestens ein optische Ele ment gerichtet sind. Das weitere Prisma kann dabei analog zu dem bereits vorab beschriebenen Prisma ausgebildet sein und kann daher auch so genutzt werden. Dabei sollten die Auftreffpositionen der Laserstrahlen auf das jewei lige Teilprisma des zweiten Prismas unterschiedliche Abstände DE aufweisen.

Alternativ zu dieser Ausführungsform kann ein weiteres Prisma in Bezug zu dem im Strahlengang der Teilstrahlen davor angeordneten Prisma auch ver setzt angeordnet sein, so dass die jeweiligen Ebenen der zwei Prismen, welche durch die Fläche der stoffschlüssigen Verbindung der Teilprismen aufgespannt wird, parallel in einem seitlichen Abstand zueinander angeordnet sind. Die Kannten der zwei Prismen, die an den Teilprismen im Strahlengang derTeil- strahlen zuerst angeordnet sind, können dabei parallel zueinander ausgerich tet und in zwei unterschiedlichen parallel zueinander ausgerichteten Ebenen angeordnet sein.

Dadurch kann erreicht werden, dass die aus dem im Strahlengang der Teil strahlen vor dem weiteren Prisma angeordneten Prisma austretenden Teil strahlen in unterschiedlichen Eintrittspunktabständen DE auf eine nach außen weisende Oberfläche auftreffen. Dies kann auch dadurch gefördert werden, in dem die Teilprismen dieses Prisma unterschiedlich ausgebildet sind und insbe sondere die Oberflächen, aus denen die Teilstrahlen aus den Teilprismen aus treten, in unterschiedlichen Winkeln ausgerichtet werden, so dass diese Teil strahlen in unterschiedlichen Winkeln durch optische Brechung aus diesen Teilprismen austreten. Allein oder zusätzlich dazu kann man die aus dem im Strahlengang der Teilstrahlen zuerst angeordneten Teilprismen austretenden Teilstrahlen auch mittels reflektiver Elemente in unterschiedlichen Eintritts punktabständen DE auf nach außen weisende Oberflächen des weiteren Pris mas auftreffen lassen.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, zwischen dem mit den zwei Teilpris men gebildeten Prisma und dem mindestens einen optischen Element ein weiteres Prisma, das mit zwei weiteren Teilprismen, die mittels einer Schicht miteinander verbunden sind, anzuordnen und in einem Winkel größer 0 °, be vorzugt im Bereich BO ° bis 120 ° in Bezug zum Prisma auf das der mindestens eine Laserstrahl zuerst auftrifft, ausgerichtet ist. Die aus dem Prisma austre tenden zwei Teilstrahlen können dann mittels eines reflektierenden Elements auf eine nach außen weisende Oberfläche des weiteren Prismas gerichtet werden, so dass die zwei Teilstrahlen jeweils in weitere Teilstrahlen aufteilbar und zur Ausbildung eines Strukturmusters einsetzbar sind._Die relative Verdre hung der Teilstrahlen bezüglich der Ebene, in der die Schicht angeordnet ist, zwischen den zwei Teilprismen des weiteren Prismas lässt sich dabei wie Be schrieben durch Drehung des Prismas oder ein geeignetes zusätzliches opti sches Element (z.B. Dove-Prisma) gewähren, welches die Teilstrahlen um eine gemeinsame Achse dreht.

Das mindestens eine optische Element kann mindestens eine fokussierende optische Linse, mindestens ein fokussierendes reflektierendes Element oder an dieser Position im Strahlengang derTeilstrahlen als eine Einrichtung, die zur räumlichen Modulation der Teilstrahlen ausgebildet ist, sein.

Im Strahlengang der Teilstrahlen kann zwischen dem Prisma oder dem weite ren Prisma ein Dove-Prisma oder ein weiteres strahlteilendes optisches Ele ment, das für die Erreichung von Interferenz der Teilstrahlen mit höherer Ord nung ausgebildet ist, angeordnet sein. Ein Dove-Prisma kann um eine parallel zur optischen Achse der Teilstrahlen ausgerichtete Achse rotieren, um damit eine Veränderung der Ausrichtung von Strukturelementen, die ein Struktur muster bilden, zu erreichen. Da es sich im Wesentlichen um periodisch auftre tende Strukturelemente handelt, die mittels direkter Laserinterferenz ausge bildet werden, kann man unterschiedliche Strukturmuster auch dadurch aus bilden, die die gleiche oder eine sich verändernde Strukturperiode L aufwei sen.

Als Werkstoff für die strahlteilende Schicht kann man ein Metall und/oder ei nen dielektrischen Werkstoff mit geeigneter Schichtdicke einsetzen. Geeig nete Schichtwerkstoffe sind beispielsweise Silber, Aluminium, Gold, Chrom und Kombinationen aus dünnen Schichten mit unterschiedlichen optischen Brechzahlen, wie S1O₂, T1O₂, AI₂O₃, Ta₂Ü₅, MgF₂, LaF3 und AIF₃. Die stoffschlüs sige symmetrische Verbindung der zwei Teilprismen kann beispielsweise mit optischen Haftklebestoffen auf Acrylatharz- oder Epoxidharzbasis erreicht werden. Die Schicht oder ein aus mehreren Schichten gebildetes Schichtsystem kann man auf die Oberfläche eines der zwei Teilprismen mit einem Vakuumbe schichtungsverfahren mit geeigneter Schichtdicke aufbringen. Ist die Schicht mit einem Metall gebildet oder sie enthält ein Metall kann man sie auch als Lotschicht zur stoffschlüssigen Verbindung der zwei Teilprismen nutzen.

Der mindestens eine Laserstrahl wird in zwei parallele Teilstrahlen aufgeteilt. Bei dem optischen System handelt es sich um ein gleichseitiges Prisma, beste hend aus zwei Einzelprismen die über eine Strahlteilerschicht miteinander ver kittet sein können. Man bezeichnet solche Prismen auch als „Koester-Prisma". Der Laserstrahl wird dabei von einer Laserstrahlquelle selbst oder durch Ab lenkung so auf das Prisma gerichtet, dass er orthogonal zur Prismenseitenflä che auftrifft. Dadurch kann ein rein transmittierendes Verhalten in das Prisma hinein erreicht werden und der einzelne Laserstrahl wird an der Strahlteiler schicht in zwei Teilstrahlen geteilt. Beide Teilstrahlen die von Prismen-Seiten- flächen reflektiert werden, können in Totalreflexion am Übergang zwischen zwei Medien reflektiert und so parallelisiert werden. In Abhängigkeit von der jeweiligen lokalen Auftreffposition des Laserstrahls auf die Prismen-Seitenflä- che kann der Abstand Ds zwischen den parallelen Teilstrahlen zueinander be einflusst werden. Mit einem nachgeschalteten optischen Abbildungssystem, wie z.B. einer Festfokuslinse, einem Linsensystem (sphärisch, asphärisch, zy lindrisch, etc.) oder einem Galvanometerscanner kann die Überlagerung und Fokussierung zur Interferenzbildung der Teilstrahlen beeinflusst werden. Zur Anpassung der Strahlaufteilung derTeilstrahlen im energetischen Verhältnis 50:50 und damit zum Beitrag der präzisen Interferenzbildung durch beide Teil strahlen kann die Polarisation der Laserstrahlung im Vorfeld durch mindestens ein polarisierendes optisches Element oder ein optisches System entspre chend ausgerichtet werden.

Der variable Eintrittspunktabstand DE der Auftreffposition des Laserstrahls zur Spitze des Prisma und der damit einhergehenden Änderungen des Strahlab stands Ds der Teilstrahlen zueinander und dem zwischen den Teilstrahlen ein geschlossenem Strahlwinkel 0 bei konstanter Brennweite / und Wellenlänge l führen zu einer Beeinflussung der Strukturperiode L des auszubildenden Strukturmusters gemäß: Strahlabstand: D_s b = V3

Eingeschlossener Winkel: Q = 2 tan^_1

Periode:

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer erfindungs gemäßen Anordnung, bei dem ein Laserstrahl an unterschiedlichen Positionen auf ein Prisma auftrifft, der in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird und

Figur 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung und

Figur 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels mit zwei Prismen.

Bei der in Figur 1 gezeigten Anordnung trifft ein Laserstrahl 1 senkrecht auf eine Oberfläche eines der zwei Teilprismen 2.1 und 2.2 auf, die von den zwei spitzen Winkeln des Prisma 2.1 eingeschlossen ist. Dabei bilden die zwei Teil prismen 2.1 und 2.2 ein Prisma 2, in dem sie mittels der Schicht 2.3, im Bei spiel dielektrische Beschichtung und Acrylatharzkleber, stoffschlüssig mitei nander verbunden sind.

Bei dem gezeigten Prisma 2 haben alle Oberflächen die gleiche Länge und sind in gleichen Winkeln von 60 ° zueinander ausgerichtet. Dementsprechend wei sen die zwei Teilprismen 2.1 und 2.2 jeweils einen Winkel g von 90 ° an der Oberfläche auf, an der sie miteinander verbunden sind. Die beiden anderen Winkel der zwei gleichen dreieckigen Prismen 2.1 und 2.2 betragen 30 ° für den Winkel a und 60 ° für den Winkel ß. In nicht gezeigter Form können die Winkel auch andere Werte aufweisen, so dass die Winkel ß bzw. g auch kleiner oder größer sein können. Dabei sollten die Winkel der zwei Teilprismen 2.1 und 2.2 unter Berücksichtigung der Wel lenlänge des Laserstrahls 1 und der optischen Brechzahl der zwei Teilprismen

2.1 und 2.2 gewählt werden, um ein Strukturmuster unter Ausnutzung der In terferenz derTeilstrahlen ausbilden zu können.

Wie in Figur 1 erkennbar, trifft der senkrecht in das Prisma 2 eingestrahlte La serstrahl 1 auf die Schicht 2.3 im Prisma 2 auf. An der Schicht 2.3 wird ein Teil der Laserstrahlung reflektiert und der andere Teil der Laserstrahlung gelangt infolge Transparenz durch die Schicht 2.3 hindurch, so dass der Laserstrahl 1 in zwei Teilstrahlen 1.1 und 1.2 aufgeteilt wird.

Beide Teilstrahlen 1.1 und 1.2 treffen auf eine Oberfläche des Prisma 2 auf, die von einem Winkel mit 30 ° und einem Winkel mit 60 ° eines der zwei Teil prismen 2.1 und 2.2 eingeschlossen wird und werden dort so reflektiert, dass sie parallel zueinander ausgerichtet sind und in einem Abstand zueinander aus dem Prisma 2 austreten. Bei diesem Beispiel treffen die Teilstrahlen 1.1 und

1.2 auf eine fokussierende optische Linse, als ein Beispiel für ein optisches Ele ment 5. Mittels der fokussierenden Linse werden sie in Richtung eines Be reichs abgelenkt, in dem die Teilstrahlen 1.1 und 1.2 miteinander interferie ren, so dass sie dort ein entsprechendes Strukturmuster ausbilden können.

Durch eine Relativbewegung eines Bauteils und der Anordnung können dabei großflächige Strukturmuster ausgebildet werden. Strukturmuster müssen nicht zwingend an einer Oberfläche eines Bauteils ausgebildet werden. Es kann auch unterhalb einer Oberfläche eines Bauteils durch eine Modifizierung des Bauteilwerkstoffs ein Strukturmuster ausgebildet werden.

Aus Figur 1 kann man auch entnehmen, wie man auf sehr einfache Art die Strukturperiode L eines Strukturmusters beeinflussen kann. So trifft der La serstrahl 1 an verschiedenen Positionen auf die Oberfläche des einen der zwei Teilprismen 2.1 und 2.2 auf, so dass die Auftreffpositionen unterschiedliche Abstände DE zwischen Auftreffposition und der Spitze des Prisma 2 bzw. des Prisma 2.1 aufweisen. Es ist erkennbar, dass bei einem größeren Abstand DE der Abstand Ds der Teil strahlen 1.1 und 1.2 und damit der Einfallswinkel Q größer ist, als bei einem kürzeren Abstand DE, wie er in der rechten Darstellung gewählt worden ist.

Bei der links in der Figur 1 gezeigten Darstellung ist die Strukturperiode L des so ausgebildeten Strukturmusters kleiner, als bei einem Strukturmuster, wie es gemäß der rechten Darstellung ausgebildet werden kann.

Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführung wird der Laserstrahl 1 mittels eines strahlablenkenden Elements 3, das ein den Laserstrahl 1 reflektierendes Ele ment sein kann, auf eine nach außen weisende Oberfläche eines der zwei Teil prismen 2.1 gerichtet und mittels einer Polarisationsoptik 6 so linear polari siert, dass die später erhaltenen Teilstrahlen 1.1 und 1.2 jeweils gleiche Ener gien aufweisen, bevor er auf die Oberfläche des Prisma 2.1 auftrifft. Die Pola risationsoptik 6 kann mindestens eine Wellenplatte, ein Polarisationsfilter, ein reflektierendes Element oder mindestens ein Polarisator, wie z.B. ein Wire- Grid, ein Polymer, ein Glan-Thomson-Element, ein Glan-Taylor-Element oder ein Brewsterfenster sein.

Ansonsten sind die zwei Teilprismen 2.1 und 2.2 und damit das Prisma 2 ana log zum in Figur 1 gezeigten ausgebildet.

Die aus dem Prisma 2 austretenden Teilstrahlen 1.1 und 1.2 treffen zu ihrer Modifikation auf mindestens ein weiteres optisches Element 4 auf, das im Strahlengang der Teilstrahlen 1.1 und 1.2 angeordnet ist. Dies kann eine Rota tion der Teilstrahlen 1.1 und 1.2 um eine gemeinsame Rotationsachse bewir ken, was mit einem Dove-Prisma als Element 4 möglich ist. Infolge der Rota tion kann die räumliche Ausrichtung des von den Teilstrahlen eingeschlosse nen Winkels Q beim Abbilden durch das Element 5 verändert werden, so dass Strukturmuster mit linienförmigen parallel zueinander ausgerichteten Struktu relementen mit unterschiedlicher Achsrichtung der Strukturelemente erhalten werden können.

Ein optisches Element 4 kann aber auch ein weiteres Prisma 2 sein, das wie das bereits beschriebene Prisma 2 ausgebildet sein kann. Dabei sollten bei dem im Strahlengang nachfolgend angeordneten weiteren Prisma unter schiedliche Abstande DE für die jeweiligen Teilstrahlen, die aus dem ersten Prisma austreten, eingehalten werden.

Anstelle eines weiteren Prisma 2 kann man aber auch mindestens ein anderes optisches Element 4 einsetzen, mit dem Interferenzen der Teilstrahlen 1.1 und 1.2 höherer Ordnung erreicht werden können.

Außerdem ist bei dem in Figur 2 gezeigtem Beispiel im Strahlengang der Teil strahlen 1.1 und 1.2 hinter dem Element 4 mindestens ein optisches Element 5 angeordnet, mit dem die Teilstrahlen 1.1 und 1.2 so abgelenkt werden kön nen, dass sie in einem Bereich miteinander interferieren, in dem ein Struktur muster ausgebildet werden soll. Dies kann mit einer fokussierenden optischen Linse (asphärisch, sphärisch, zylindrisch), mindestens einem Galvanoscanner, fokussierenden und reflektierenden optischen Elementen oder einer Einrich tung, die zur räumlichen Modulation derTeilstrahlen 1.2 und 2.2 ausgebildet ist, erreicht werden.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform mit zwei nacheinander zwischen Laser strahlungsquelle und auszubildendem Strukturmuster angeordneten Prismen 2, die jeweils ebenfalls als „Köster-Prisma" ausgebildet sind.

Auch hier wird ein Laserstrahl 1 analog zu den vorab beschriebenen Beispielen auf eine nach außen weisende Oberfläche eines der zwei Teilprismen 2.1 ge richtet und dann mittels der Schicht 2.3 in zwei Teilstrahlen 1.1 und 1.2 aufge teilt. Die austretenden Teilstrahlen 1.1 und 1.2 werden mittels eines reflektie renden optischen Elements 3 auf eine nach außen weisende Oberfläche des weiteren Prisma 2 bevorzugt senkrecht zu dieser Oberfläche gerichtet.

Auch das weitere Prisma 2 verfügt über eine Schicht 2.3, die zur Teilung der Teilstrahlen ausgebildet ist. Nach analoger Reflexion werden nunmehr vier Teilstrahlen 1.1 bis 1.4 durch ein optisches Element 5 zur Ausbildung eines Strukturmusters unter Nutzung der Interferenz der vier Teilstrahlen 1.1 bis 1.4 gerichtet. Bei diesem Beispiel sind die zwei Prismen 2 in einem Winkel von 90 ° zueinan der verdreht ausgerichtet.

Claims

Patentansprüche 5

1. Anordnung optischer Elemente für die Ausbildung von Strukturmus tern mittels direkter Laserinterferenz, bei der ein dreieckiges oder viereckiges Prisma (2) mit zwei dreieckigen Teil prismen (2.1 und 2.2) gebildet, die an einer planaren Fläche mittels ei

10 ner mindestens einen Laserstrahl (1) in Teilstrahlen (1.1 und 1.2) tei lende Eigenschaften aufweisenden Schicht (2.S) miteinander verbun den sind, und die zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) zwei gleiche spitze Winkel a aufweisen, die jeweils zwischen der planaren Fläche an der die zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) miteinander verbunden sind und ei

15 ner nach außen weisenden Oberfläche angeordnet sind, wobei der mindestens eine Laserstrahl (1) auf eine der nach außen weisen den Oberflächen eines der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) gerichtet ist, so dass der mindestens eine Laserstrahl (1) innerhalb des Prisma (2) auf die Schicht (2.S) auftrifft und dort

20 durch Reflexion eines Teils der Strahlung an der Schicht (2.S) und Transmission eines weiteren Teils der Strahlung durch die Schicht (2.S) eine Teilung des mindestens einen Laserstrahls (1) in zwei Teilstrahlen (1.1 und 1.2) erfolgt, wobei

25 die dadurch erhaltenen Teilstrahlen (1.1 und 1.2) auf jeweils eine der nach außen weisenden Oberflächen eines der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) auftreffen, an diesen Oberflächen reflektiert werden und die Teilstrahlen (1.1 und 1.2) aus den Flächen der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) austreten, die dem spitzen Winkel a gegenüberliegend ange

BO ordnet sind, von dort auf mindesten ein optisches Element (5) auftreffen, das so ausgebildet ist, dass die Teilstrahlen (1.1 und 1.2) so ausgerichtet wer den, dass sie in einem Bereich eines Bauteils miteinander interferieren, in dem ein Strukturmuster ausgebildet werden soll und/oder

35 der Einfallswinkel des mindestens einen Laserstrahls (1) auf die nach außen weisende Oberfläche des einen der zwei Teilprismen (2.1 oder

2.2) sowie die Winkel a, ß und g der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) un ter Berücksichtigung der Wellenlänge des mindestens einen Laser strahls (1) und der optischen Brechzahl der zwei Teilprismen (2.1 und

2.2) so gewählt sind, dass die Teilstrahlen (1.1 und 1.2) so ausgerichtet werden, dass sie in einem Bereich eines Bauteils miteinander interfe rieren, in dem ein Strukturmuster ausgebildet werden soll.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindes tens ein Laserstrahl (1) senkrecht auf die nach außen weisende Ober fläche eines der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) gerichtet ist, der in sei ner Polarisation oder seiner räumlichen Intensitätsverteilung vor dem Auftreffen auf eine der nach außen weisenden Oberflächen eines der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) modifiziert worden ist.

3. Anordnung nach dem der vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass die zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) jeweils gleich ausge bildet sind.

4. Anordnung nach dem der vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass an den zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) jeweils zwei Ober flächen in einem Winkel von 30 ° und jeweils zwei Oberflächen in ei nen Winkel von 60 ° zueinander ausgerichtet sind.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Auftreffposition des mindestens einen Laser strahls (1) auf die nach außen weisende Oberfläche des einen der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) veränderbar ist, so dass sich der Abstand DE der Auftreffposition zu der Spitze der zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) und dadurch der Einfallswinkel Q der Teilstrahlen (1.1 und 1.2) in den Bereich, in dem die Teilstrahlen (1.1 und 1.2) miteinander interferie ren, verändern lässt.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass zwischen dem mit den zwei Teilprismen (2.1 und

2.2) gebildeten Prisma (2) und dem mindestens einen optischen Ele- ment (5) ein weiteres Prisma (2), das mit zwei weiteren Teilprismen (2.1 und 2.2), die mittels einer Schicht (2.3) miteinander verbunden sind, angeordnet ist und ein weiterer Laserstrahl (1) senkrecht auf eine Oberfläche des weiteren Prisma (2) gerichtet ist und mit dem weiteren Prisma (2) so transmit- tiert und reflektiert wird, dass weitere Teilstrahlen (1.1 und 1.2) von diesem weiteren Prisma (2) auf das mindestens ein optische Element (5) gerichtet sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, dass zwischen dem mit den zwei Teilprismen (2.1 und 2.2) gebil deten Prisma (2) und dem mindestens einen optischen Element (5) ein weiteres Prisma (2), das mit zwei weiteren Teilprismen (2.1 und 2.2), die mittels einer Schicht (2.3) miteinander verbunden sind, angeordnet und in einem Winkel größer 0 °, in Bezug zum Prisma (2) auf das der mindestens eine Laserstrahl (1) zuerst auftrifft, ausgerichtet ist oder die aus dem Prisma (2) austretenden Teilstrahlen (1.1 und 1.2)-um eine gemeinsame Achse drehbar sind und direkt oder mittels eines reflek tierenden Elements (3) auf eine nach außen weisende Oberfläche des weiteren Prismas (2) gerichtet sind, so dass die zwei Teilstrahlen (1.1 und 1.2) jeweils in weitere Teilstrahlen (1.1 bis 1.4) aufteilbar und zur Ausbildung eines Strukturmusters einsetzbar sind.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das mindestens eine optisches Element (5) mindes tens eine fokussierende optische Linse, mindestens ein fokussierendes reflektierendes Element oder eine an dieser Position im Strahlengang der Teilstrahlen (1.1 und 1.2) als eine Einrichtung, die zur räumlichen Modulation derTeilstrahlen (1.1 und 1.2) ausgebildet ist, angeordnet ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass im Strahlengang derTeilstrahlen (1.1 und 1.2) zwi schen dem Prisma (2) oder dem weiteren Prisma (2) ein Dove-Prisma (4) oder ein weiteres strahlteilendes optisches Element, das für die Er- reichung von Interferenz der Teilstrahlen (1.1 und 1.2) mit höherer Ordnung ausgebildet ist, angeordnet ist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Schicht (2.S) aus Silber, Aluminium, Gold, Chrom oder als Kombination mehrerer übereinander ausgebildeten dünnen Schichten mit unterschiedlichen optischen Brechzahlen, wie insbesondere S1O₂, T1O₂, AI₂O₃, Ta₂Ü₅, MgF₂, LaF₃ und AIF₃ gebildet ist.

11. Verfahren für die Ausbildung von Strukturmustern mittels direkter Laserinterferenz, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingesetzt wird.