Reliefgitter in Glas

Reliefgitter insbesondere auf Glas

Das neu entwickelte Verfahren ermöglicht es, Reliefgitter auf Werkstoffoberflächen deutlich schneller und effizienter herzustellen als bisher möglich. Dadurch wird z.B. die wirtschaftliche Markierung von Glas mit diffraktiv wirksamen Mustern, die aus unterschiedlichen Richtungen in unterschiedlichen Farben schillern, ermöglicht. Das Verfahren kann generell zur Mikro- bzw. Nanostrukturierung von Oberflächen diverser Werkstoffe in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt werden.

Problemstellung

Reliefgitter mit mikrometerfeinen Linienabständen wirken optisch diffraktiv und erscheinen farblich schillernd. Sie können als ästhetisch ansprechende Markierungen verwendet werden und den so markierten Proben ein Alleinstellungsmerkmal verschaffen.
Mit bisherigen Methoden war es allerdings technisch überaus aufwändig, diese Strukturen schnell und effizient zu erzeugen – insbesondere auf Glas. Für eine berührungslose Markierung kommt nur der Materialabtrag (Ablation) mit gepulsten Lasern in Frage. Jedoch weisen herkömmliche Laserverfahren eine ganze Reihe spezifischer Nachteile auf: Glas absorbiert im Sichtbaren kaum, weshalb hohe Pulsintensitäten erreicht werden müssen. Die dadurch bedingten kleinen Laserspotdurchmesser lassen nur winzige Flächen zu, die pro Puls strukturiert werden können. Flächige Strukturierung ist in der Regel nur am stehenden Werkstück mit einem Scanner möglich. Im Infraroten ist die Absorption zwar höher, und es stehen leistungsstarke Lasertypen zur Verfügung. Durch die größere Wellenlänge leidet aber die Strukturauflösung – Reliefgitter mit Perioden im Mikrometerbereich sind hierdurch ausgeschlossen. Demgegenüber vereinen Excimerlaser besondere Vorteile für die Markierung von Glas: ihre kurze Wellenlänge im Ultravioletten wird gut vom Glas absorbiert, und das flächige Strahlprofil ermöglicht die parallele Strukturierung größerer Flächen. Für die Mikrostrukturierung können etablierte Maskenprojektionstechniken eingesetzt werden. Allerdings erfordert eine Maskenprojektion in der Regel aufwändige Optiken und an den typischerweise verwendeten Amplitudenmasken treten hohe Lichtverluste auf.

Unsere Lösung

Auf dieser Problemstellung aufbauend war es das Ziel der Entwickler, ein Verfahren für die schnelle und effiziente Mikro- und Nanostrukturierung von Glas zu entwickeln.
Das dabei entwickelte Verfahren setzt auf die flächige Ablation mit einem Excimerlaser. Allerdings werden einfache, verlustarme Komponenten eingesetzt und spezielle Methoden angewendet. Das gesamte Strahlprofil des Lasers wird genutzt, wodurch eine hohe Lichtleistung zur Verfügung steht. Effizienz und Kontrast werden somit gesteigert. Mit dem neuen Verfahren ist es möglich, das Werkstück kontinuierlich zu bewegen, wie dies in vielen industriellen Fertigungs- oder Bearbeitungsprozessen notwendig ist, und immer dann einen Laserpuls abzugeben, wenn das Werkstück um die Länge einer oder mehrerer Perioden des zu erzeugenden Reliefgitters verfahren wurde. Weitere Vorrichtungen, die eine Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück bewirken, z. B. ein Scanner, sind nicht erforderlich. Soll das Gitter zur Vorschubrichtung geneigt sein, so muss lediglich die Schrittweite zwischen zwei Pulsen an den Linienabstand in Richtung des Vorschubs angepasst werden. Optimalerweises kann die maximale Repetitionsrate des Lasers voll ausgeschöpft werden.
Damit ist es nun möglich, mikrometerfeine Reliefgitter in kürzester Zeit in Werkstoffoberflächen, z.B. in Glasoberflächen einzubringen. Diese Struktur kann beispielsweise eine vorgegebene Makrokontur füllen und dieser schillernde Eigenschaften verleihen, wie sie von holographischen Sicherheitsmerkmalen bekannt sind, oder z.B. zur definierten Modifikation der wellenlängenabhängigen Reflexion oder Transmission einer Werkstückoberfläche dienen.

Ein auf einer Oberfläche erzeugtes, mikrometerfeines Reliefgitter entfaltet eine diffraktive Wirkung und führt dazu, dass die Oberfläche unter verschiedenen Winkeln betrachtet in unterschiedlichen Farben schillert. (Quelle: Dr. Jürgen Ihlemann, LLG)

Vorteile

Effizienter Prozess bei einfachem Aufbau
Hohe Dispersion durch mikrometerfeine Strukturen
Dadurch farblich brilliant schillernde Markierungen von hoher Ästhetik
Hohe Produktionsgeschwindigkeiten
Mikrorissfreie Strukturierung
Beschriftung von planen und gekrümmten Flächen möglich
Integrierbar in Produktionslinien

Anwendungsbereiche

Gestaltung von Oberflächen insbes. aus Glas oder Glaskeramik
Fälschungssichere Kennzeichnung
Mikro- und Nanostrukturierung von Oberflächen z.B. zur Modifikation von Reflexion und Transmission

Entwicklungsstand

Das Verfahren wurde auf Oberflächen aus folgenden Werkstoffen erfolgreich erprobt:

Glas
Glaskeramik
Kunststoff

Es wird derzeit mit Förderung aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) aus dem WIPANO - Förderschwerpunkt "Öffentliche Forschung - Weiterentwicklung von Erfindungen" im Hinblick auf die Anwendung in industriellen Fertigungs- und Bearbeitungsprozessen weiterentwickelt.

Patentsituation

DE Patent erteilt: DE102015216342B3
EP Patentanmeldung offengelegt: EP3341153A1
US Patentanmeldung offengelegt: US2018236596A1
CN Patentanmeldung offengelegt: CN107921579A
KR Patentanmeldung offengelegt: KR20180098217A

Patentinhaber/-Anmelder: Laser-Laboratorium Göttingen e.V.

Weiterführende Informationen

J. Meinertz, T. Fricke-Begemann, J. Ihlemann: Micron and sub-micron gratings on glass by UV laser ablation, Physics Procedia 41, 701 (2013)

J. Bekesi, J. Meinertz, P. Simon, J. Ihlemann: Sub-500-nm patterning of glass by nanosecond KrF-excimer laser ablation, Applied Physics A 110, 17 (2013)

Kontakt

Dr. Ireneusz iwanowski
Patentmanager (Physik, Technik und Software)
E-Mail: iiwanowski(at)sciencebridge.de
Tel.: +49 (0) 551 30724 153
Ref: MM-1773-LLG
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