Lasergefertigte Wunschoptiken

Ausgewählte Projektergebnisse aus den Bereichen Lasermaterialbearbeitung von Glasoptiken und Packaging zeigt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT auf der 13. Optatec-Messe vom 7. bis zum 9. Juni 2016 in Frankfurt. Highlights sind beispielsweise die Software freeformOPT, mit der sich individuelle Freiformoptiken berechnen lassen, sowie neue Laserprozesse zur Formgebung, Politur, Strukturierung und Montage von Quarzglasoptiken. 

Quarzglas mit Schlitz, Ergebnis der Bearbeitung mit Inversem Laserstrahlbohren, Dicke: 6,35 mm, Winkel des Hinterschnitts: ca. 10° / Bildquelle: Fraunhofer ILT, Aachen 

Wissenschaftler des Fraunhofer ILT in Aachen erforschen neue Laserprozesse zur Formgebung, Politur, Strukturierung und Montage von Optiken und Bauteilen aus verschiedenen optischen Gläsern und Quarzglas. Ein Fokus liegt auf der Entwicklung einer vollständig laserbasierten digitalen Prozesskette für die Herstellung von Asphären und Freiformoptiken. Auf der internationalen Fachmesse für optische Technologien, Komponenten und Systeme stellen die Wissenschaftler Projektergebnisse und Demonstratoren aus den verschiedenen Forschungsgebieten vor.

Zur Formgebung von Linsenoberflächen wird das Glas zunächst schichtweise lokal mit mehreren mm³/s abgetragen. Ein anschließender Laserpolierprozess glättet die Oberfläche durch Umschmelzen einer dünnen Randschicht ohne Materialabtrag – bei Flächenraten von bis zu 5 cm²/s. Ergebnis ist eine Rauheit bis in den Subnanometerbereich. Mit einem letzten Feinabtrag, dem Laser Beam Figuring, lassen sich über einen Verdampfungsprozess lokal noch einmal gezielt Schichtdicken im Nanometerbereich entfernen (bis unter 5 nm, bei lateraler Ortsauflösung von unter 100 µm). Dieser Schritt wird für die Verringerung noch bestehender langwelliger Rauheiten und Formfehler entwickelt, die beim Laserpolieren nicht entfernt werden können.

Die in Aachen entwickelte Software freeformOPT ermöglicht die Berechnung verschiedener Freiformoptikflächen mit über 100 000 Freiheitsgraden und bietet Schnittstellen zu CAD- und Optiksoftware. Die CAD-Konstruktionszeichnungen lassen sich direkt für entsprechende Fertigungsmaschinen verwenden.

Im Gegensatz zu konventionellen Schleif- und Polierverfahren sind die Prozesse bei der berührungslosen Laserbearbeitung weitgehend verschleißfrei. Mit geringen Spotdurchmessern und kontrollierbaren Intensitätsprofilen wird eine hohe Geometriefreiheit für die Oberflächen erzielt. Die Prozesszykluszeiten sind gering und nahezu unabhängig von der Komplexität der Oberfläche, ob Sphäre, Asphäre oder Freifomoptik.

Einsatzgebiete der so gefertigten Optikelemente sind etwa im Innen- und Außenbeleuchtungsbereich, im Automobilbau oder im Laseroptikbereich selbst denkbar. Mit einer Rückseitenstrukturierung von optischen Komponenten lässt sich beispielsweise für den Leichtbau das Gewicht von Bauteilen reduzieren.

Große Vielfalt der Lasermaterialbearbeitung auf der Optatec 2016 – Mit Inversem Laserstrahlbohren werden Löcher mit großen Aspektverhältnissen (~1:200) in dielektrische Materialien gebohrt. Applikationsbeispiele sind kleine, muschelausbruchfreie Löcher der Größenordnung 100 µm in Spiegelsubstraten zum Überlagern oder Separieren von Strahlenbündeln, aber auch das Strukturieren photonischer Faservorformen mit großer Geometriefreiheit.

Ausgestellt werden auch robuste optomechanische Bauelemente, die in gepulsten Lasern für die satellitenbasierte Klimaforschung Anwendung finden werden. Durch Lötverbindungen werden besondere Verkippstabilitäten einzelner Schlüsselkomponenten erreicht. Zudem ermöglicht der Verzicht auf organische Stoffe geringe Ausgasungsraten und somit hohe Lebensdauern.

Beim Glasfrit-Bonden wird die räumlich begrenzte Einbringung von Laserlicht in die Fügezone genutzt, um homogene und rissfreie Verbindungen zu realisieren. Sensible OLED-Schichten oder Mikrosensoren lassen sich so verkapseln. Gezeigt werden unterschiedliche Anwendungsbeispiele des Verfahrens bis zu einer Größe von 340 mm x 340 mm.

Das Fraunhofer ILT ist auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand D50 in Halle 3.0 der Messe Frankfurt mit Ergebnissen aus der aktuellen Forschung vertreten. Rund 570 Aussteller präsentieren auf der internationalen Fachmesse Innovationen und Neuentwicklungen aus den Bereichen optische Technologien, Komponenten und Systeme.

http://www.ilt.fraunhofer.de