Wirtschaftliche Fertigung mehrstufiger Diffraktiv Optischer Elemente aus Glas

Von:

Jana Schmitt

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Diffraktive Phasengitter können nahezu beliebige Lichtverteilungen ohne nennenswerte Intensitätsverluste erzeugen. Diffraktiv Optische Elemente (DOE) sind deshalb für zahlreiche Anwendungen von Vorteil. DOE aus Kunststoff sind heute weit verbreitet. Sie können jedoch bei hohen Temperaturen oder feuchten Umgebungen nicht eingesetzt werden, da sie sich unter solchen Bedingungen verformen und Effizienz einbüßen. Für die kostengünstige Herstellung von DOE aus Glas wurde ein isothermes Heißprägeverfahren entwickelt. Durch Verwendung von Siliziumcarbid-Substraten mit nanokristalliner Diamantbeschichtung konnten defektfreie Stempelwerkzeuge hergestellt werden, um hoch effiziente, mehrstufige diffraktive Optiken herzustellen. Die Replikation der Strukturen in Glas zeigte eine große Detailtreue. Anhand einer eigens programmierten MATLAB-Simulation, die mit Fourieroptik arbeitet, konnten Toleranzen für den Lithograpieprozess bestimmt werden. Sie liegen im Bereich weniger Nanometer. Weichen die Strukturen prozessbedingt von diesen Vorgaben ab, wirkt sich das auf die Beugungseffizienz aus. Wie stark der Einfluss der einzelnen Strukturparameter ist, wurde zunächst in MATLAB simuliert und anschließend mit speziellen Teststrukturen experimentell bestätigt. Ionenstrahlätzen und reaktives Ionenätzen wurden im Hinblick auf die entstehenden Oberflächenqualitäten bei der Strukturierung von Quarzglas- und Stempelsubstraten untersucht und optimiert. Die optische Leistungsfähigkeit wurden durch Vergleich von Simulation und Messung näher beleuchtet. Versuche belegen, dass raue Oberflächen und zu breite Strukturen durch den winkelabhängigen Abtrag beim Ionenstrahlätzen nachbearbeitet werden können. Dadurch lässt sich die erzielte Effizienz eindeutig verbessern.