Feinschliff für die Optik

Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen haben Forscher nach dem Laser­polieren jetzt auch ein ablatives Verfahren für die Ultra­präzisions­bearbeitung von Optiken entwickelt: Das Laser Beam Figuring (LBF) ermöglicht einen Abtrag von weniger als fünf Nanometern. Zum ersten Mal wird damit eine komplette Prozess­kette für die laser­basierte Optik­fertigung möglich.

Dank ihrer guten Abbildungs­eigenschaften sind Asphären der Traum vieler Optik­designer. Der Nachteil bei den Asphären ist die mechanische Bearbeitung: Sie ist deutlich zeit­aufwändiger als bei konventionellen sphärischen Optiken. Und für eine hohe Ober­flächen­güte ist oft noch eine spezielle Nach­behandlung nötig.

Das Laserpolieren ist ein erster Schritt, um die Ober­flächen­bearbeitung zu ver­einfachen. Dabei wird die Glas­ober­fläche mit CO2-Laser­strahlung bis knapp unter die Verdampfungs­temperatur erwärmt. Die Viskosität der Ober­fläche sinkt, die Rauheit kann ausfließen und die Ober­fläche glättet sich. So lässt sich die Mikro­rauigkeit schnell verbessern. Für periodische Strukturen mit einer Wellenlänge von über 100 Mikrometern, die bei der mechanischen Bearbeitung entstehen können, reicht das Laser­polieren nicht aus. Da sind ultra­präzise abtragende Verfahren nötig.

Für die Ultrapräzisions­bearbeitung mit einem Abtrag von wenigen Nanometern sind bislang das Ion Beam Figuring (IBF) und das magneto­rheologische Polieren (MRF) die Methoden der Wahl. Die Experten vom Fraunhofer ILT haben jetzt ein laser­basiertes Verfahren entwickelt, das genauer und schneller arbeiten kann.

Beim Laser Beam Figuring (LBF) wird mit einem gepulsten CO2-Laser Glas­material von der Ober­fläche abgetragen. Die Abtrag­rate lässt sich dabei durch die Dauer des Laser­pulses genau regeln. Die horizontale Aus­dehnung des Abtrags ist im Wesentlichen durch die Größe des Laser­spots bestimmt. So ist beim Abtrag eine vertikale Auflösung von unter fünf Nanometern und eine laterale Auflösung von unter 100 Mikrometern möglich. Im Unterschied zum IBF funktioniert das LBF-Verfahren ohne Vakuum und benötigt auch keine zusätzlichen Flüssig­keiten wie der MRF-Prozess. Gleich­zeitig ermöglicht das LBF maximale Flexibilität bei der Form­gebung, da das kontakt­freie Verfahren auf fast beliebig geformten Ober­flächen funktioniert.

Mit dem LBF wird erstmals eine durch­gängig laser­basierte Prozess­kette in der Optik­fertigung möglich. In einem ersten Schritt wird für eine individuelle Form das Material relativ grob abgetragen. Danach wird die Ober­fläche mit dem Laser poliert. Zur abschließenden Form­korrektur lässt sich dann LBF einsetzen.

Dank seiner Schnelligkeit und der Flexibilität bei der Ober­flächen­form eignet sich das Verfahren besonders gut für die kosten­günstige Form­korrektur von nicht­sphärischen optischen Komponenten in kleinen bis mittleren Stück­zahlen. Neben Asphären kommen dafür auch Mikro­optiken in Frage. Dabei lässt sich die Laser­form­korrektur sowohl mit dem Laser­polieren als auch mit konventionellen Bearbeitungs­verfahren kombinieren.

Die Arbeiten wurden unter anderem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Vorhabens RapidOptics gefördert. Das LBF-Verfahren sowie weitere laser­basierte Technologien für die Optik­fertigung präsentiert das Fraunhofer ILT vom 15. bis 17. Mai auf der Optatec in Frankfurt am Main. Sie finden den Fraunhofer-Gemeinschafts­stand F14 in Halle 3.0.

Fh.-ILT / DE