Plasma-Laser-Ablation optischer GläserPlasma-Laser-Ablation ermöglicht die Bearbeitung optischer Gläser, ohne dabei auf eine aufwändige Vorbehandlung der Oberfläche oder den Einsatz von teuren Lasern im Vakuum-UV- oder mittleren IR-Wellenlängenbereich zurückgreifen zu müssen. Durch die Verwendung eines wasserstoffhaltigen Plasmas vor der Laserablation kommt es zu einer reversiblen Erhöhung der Absorption.
Quarzglas nach der Bearbeitung durch herkömmliche Laser-Ablation (links) und nach der hier vorgestellten Plasma-Laser-Ablation (rechts). Man erkennt, dass sowohl die Formtreue des abgetragenen Bereichs als auch die Oberflächenrauigkeit im Falle der Plasma-Laser-Ablation wesentlich besser ist. (Quelle: W. Viöl) ProblemstellungDie Laserablation ist eine Methode zum Bearbeiten von Oberflächen und eignet sich besonders zum Abtragen dünner Schichten oder zum Bohren von Löchern mit sehr kleinem Durchmesser. So elegant das Verfahren auch ist, setzt es doch eine hinreichend hohe Absorption in der zu bearbeitenden Oberfläche voraus. Quarzglas hingegen ist für Licht in einem Wellenlängenbereich von 200 nm bis 2000 nm praktisch transparent. Um es dennoch mittels Laserablation bearbeiten zu können, bieten sich zwei Möglichkeiten an: Zum einen kann man die Oberfläche mit einer absorbierenden Schicht versehen, wobei darauf zu achten ist, dass diese Schicht nach dem Ablationsvorgang auch wieder vollständig entfernt werden kann. Zum anderen kann man zu sehr großen oder kleinen Laserwellenlängen wechseln bzw. die verwendete Energiedichte des Laser stark erhöhen. In beiden Fällen steigt der Aufwand und damit die Prozesskosten. Unsere LösungIm Gegensatz zur reinen Laserablation erlaubt die neue Methode der Plasma-Laser-Ablation eine effektive und kostengünstige Bearbeitung von Quarzglas durch die Kombination von wasserstoffhaltigem Plasma und Laserlicht. Dafür wird die zu behandelnde Oberfläche vor dem Ablationsvorgang in Kontakt mit einem Formiergas gebracht, welches oberflächennahes SiO2 teilweise zu Siliziumsuboxid reduziert. Gleichzeitig diffundiert atomarer Wasserstoff in tiefer liegenden Schichten der Struktur. Dadurch sinkt der Transmissionskoeffizient wellenlängenabhängig um bis zu 16% absolut (siehe nachstehende Grafiken). Nach der eigentlichen Laseranwendung kann der ursprüngliche Brechungsindex dann durch Tempern fast vollständig wieder hergestellt werden.
Wellenlängenabhängiger Transmissionsgrad von Quarzglas ohne Plasmabehandlung (hellblau), nach einer Behandlungsdauer von 5 Minuten (blau) und nach einer Behandlungsdauer von 15 Minuten (dunkelblau). (Quelle: W. Viöl) Wellenlängenabhängiger Transmissionsgrad von plasmabehandeltem Quarzglas ohne Tempern (dunkelblau), nach einer Temperzeit von 24 Stunden (blau) und nach einer Temperzeit von 48 Stunden (hellblau). (Quelle: W. Viöl) Vorteile
AnwendungsbereicheDas vorgestellte Verfahren eignet sich zur Erzeugung diffraktiver optischer Elemente oder generell zur Erzeugung von Mikrostrukturen in optischen Gläsern. Auch beim Abtragen von Verunreinigungen oder dem Ausbessern von oberflächennahen Fehlstellen kann die Plasma-Laser-Ablation Anwendung finden. EntwicklungsstandDas Verfahren wurde bereits erfolgreich im Labor getestet. PatentsituationEin erteiltes europäisches Patent wurde in Deutschland, Frankreich und Großbritannien validiert (EP2780134B1, Patentinhaber: HAWK - Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst & Laser-Laboratorium Göttingen e.V.). Weiterführende InformationenHybrid Laser-Plasma Micro-Structuring of Fused Silica Based on Surface Reduction by a Low-Temperature Atmospheric Pressure Plasma Laser Micro-Structuring of Fused Silica Subsequent to Plasma-Induced Silicon Suboxide Generation and Hydrogen Implantation KontaktDr. Ireneusz Iwanowski |
