Adaption der optischen Kohärenztomographie für die echtzeit-kontrollierte Mikrostrukturierung transparenter Materialien mit einem F2-Laser

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-29405
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Werkstoffkunde
Fakultät: Fakultät Elektrotechnik
Hauptberichter: Detlef, Kip (Univ.-Prof. Dr. rer. nat.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.06.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Optische Kohärenztomographie , SAPHIR <Spektrometer> , Fluorlaser , Mikromechanik
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

Die optische Kohärenztomographie (OCT) ist eine neuartige Methode zur zerstörungsfreien, kontaktlosen und multidimensionalen Visualisierung von Strukturen und Grenzschichten mit zahlreichen Anwendungen zur Untersuchung von biologischen Proben. Anwendungen außerhalb von Medizin und Biologie wurden bisher allerdings kaum beschrieben. Eine solche Anwendung der OCT ist die Echtzeit-Kontrolle der Prozessparameter in der Lasermikromaterialbearbeitung, welche hohe Anforderung an die Positionier- und Justiergenauigkeit des verwendeten Systems stellt. Eine genaue Ausrichtung der Probe und eine Echtzeit-Kontrolle der Parameter wie der Ablationsrate und der Bearbeitungsposition sind hierbei erforderlich. --- Im Rahmen dieser Arbeit werden die Integration eines OCT-Systems mit der Fähigkeit zur Oberflächendarstellung in ein bereits existierendes F2-Laserbearbeitungssystem beschrieben und mögliche Anwendungen zu Justierzwecken oder der zerstörungsfreien Charakterisierung von mikrostrukturierten Oberflächen demonstriert. Es wird gezeigt, dass eine zuverlässige Detektion der Probenoberfläche zu Justagezwecken und eine anschließende Lagekontrolle mit Hilfe der OCT genauso möglich sind wie die Bestimmung des Laserabtrags. Die erzeugten Oberflächenbilder des OCT sind quantitativ vergleichbar mit denen bekannter Analysewerkzeuge wie z. B. der Rasterelektronen-, Auflicht- und konfokalen Mikroskopie. Die erreichten Auflösungen liegen axial bei ~120 nm und lateral bei <2,5 µm. Im Vergleich zu anderen Messverfahren wird durch die Entkopplung der lateralen und axialen Auflösung zudem die Vermessung von Strukturen mit großem Aspektverhältnis ermöglicht. Die Integration der OCT in ein bereits erprobtes Herstellungsverfahren führt zu einer Reduzierung der Bearbeitungszeit und des Ausschusses. Gleichzeitig wird der gesamte Herstellungsprozess um die Fähigkeit zur zerstörungsfreien in-situ-Charakterisierung der hergestellten Mikrostrukturen erweitert. Dies unterstreicht die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten der OCT für den industriellen Anwendungsbereich. Im Besonderen können hochpräzise Laserherstellungsverfahren wie die dreidimensionale Oberflächenstrukturierung von dieser Art der Prozesskontrolle profitieren. --- Diese Eigenschaften werden durch die Anwendung der optimierten F2-Bearbeitungsstation zur Fertigung mikrooptischer Komponenten aus Saphir demonstriert. Hierbei wird untersucht, ob es prinzipiell möglich ist, Geometrien mit geeigneter Qualität mittels Laserablation zu erzeugen, welche bei entsprechenden optischen Komponenten zum Einsatz kommen würden. Anhand ausgewählter Beispiele wie der Bearbeitung von Faserendflächen und der Herstellung von Gittern und Diffraktiven Optischen Elementen (DOEs) auf Plansubstraten wird gleichzeitig das Potential der Mikromaterialbearbeitung von Saphir mittels F2-Laserstrahlung aufgezeigt. Die Ergebnisse belegen, dass Saphir durch Laserablation bei 157 nm erfolgreich mit einer guten Präzision bearbeitet werden kann, wodurch neue Anwendungsbereiche für Saphir-basierte mikrooptische Elemente eröffnet werden.

Kurzfassung auf Englisch:

OCT is a recently introduced method for non-destructive, non-contact, and multidimensional visualization of structures and interfaces with many applications for the investigation of biomedical specimen. Applications outside the fields of medicine and biology, however, have been scarcely described. One such application of OCT is the real-time control of process parameters in high resolution laser micromachining. A precise positioning and alignment accuracy of the used system and real-time control of parameters such as ablation rate and position are required here. --- Within this work the integration of OCT with the ability of surface representation into an existing F2-laser processing system is described and potential applications for alignment purposes and non-destructive characterization of micro-structured surfaces are demonstrated. It is shown that reliable detection of the sample surface for alignment purposes and subsequent position control with the help of OCT are possible as well as the determination of the laser ablation rate. The generated OCT surface images are quantitatively comparable to those of known analysis tools such as scanning electron, reflected light and confocal microscopy. An axial resolution of ~126 nm for surface detection and a lateral resolution <2.5 µm have been obtained. In contrast to other measurement methods the decoupling of the lateral and axial resolution also allows the measurement of structures with a high aspect ratio. The integration of the OCT in an already proven manufacturing process results in a reduction of processing time and rejection rate. At the same time, the entire production process is augmented with the ability for non-destructive in-situ characterization of the produced microstructures. This emphasizes the versatile utilization of OCT for industrial applications. In particular, high-precision laser manufacturing methods such as three-dimensional surface structuring benefit from this type of process control. --- These properties are demonstrated by the application of an optimized F2-laser processing system for the production of micro-optical components made of sapphire. It is investigated whether it is principally possible to produce geometries with a suitable quality by laser ablation, to be used in optical components. At the same time the potential of micro-machining of sapphire by F2-laser radiation is demonstrated by selected examples, such as the processing of fiber end faces and the manufacturing of gratings and diffractive optical elements on plane substrates. The results show that sapphire can be successfully processed with a good precision by laser ablation at 157 nm, so that a wide range of new applications for sapphire-based devices can be made possible.

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