DE102019202222A1

DE102019202222A1 - Ablenkspiegel aus Diamant sowie Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102019202222A1
Application number: DE102019202222.7A
Authority: DE
Inventors: Carlo Holly; Martin Traub; Dieter Hoffmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2020-08-20
Anticipated expiration: 2039-02-20
Also published as: DE102019202222B4

Abstract

Ein Ablenkspiegel für optische Strahlung weist ein monolithisches Substrat aus Diamant auf, das an der Vorderseite mit einer reflektierenden Schicht oder Schichtfolge beschichtet und mit einer rückseitigen oder inneren Strukturierung zur Verringerung des Trägheitsmoments versehen ist. Die Strukturierung und/oder die Oberflächenform des Substrats werden bei diesem Ablenkspiegel oder dem Verfahren zu dessen Herstellung so gewählt, dass durch die Beschichtung mit der reflektierenden Schicht oder Schichtfolge verursachte mechanische Spannungen im Substrat zumindest zum Teil ausgeglichen werden und/oder zur Bildung einer planen Vorderseite des Substrats führen. Der Ablenkspiegel weist ein geringes Trägheitsmoment bei hoher mechanischer Steifigkeit und einer für die Anwendung ausreichenden Planität der Oberfläche auf.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ablenkspiegel für optische Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, der ein monolithisches Substrat aus Diamant aufweist, das an einer Vorderseite mit einer reflektierenden Schicht oder Schichtfolge beschichtet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Ablenkspiegels.
Ablenkeinheiten für die Lasermaterialbearbeitung bestehen häufig aus Galvanometerscannern, auf deren Achsen Ablenkspiegel angeordnet sind, einer oder mehreren Optiken zur Fokussierung des Laserstrahls auf die Bearbeitungsebene und einer Steuereinheit. Darüber hinaus können motorisierte Fokussiereinheiten eingesetzt werden. Durch die Ablenkeinheit soll die Position des Laserfokus möglichst präzise und schnell in der Bearbeitungsebene eingestellt oder verändert werden. Die hierbei eingesetzten Ablenkspiegel sollten ein möglichst geringes Trägheitsmoment aufweisen, um schnell und mit geringer Energie bewegt werden zu können. Sie sollten weiterhin eine hohe laserinduzierte Zerstörschwelle aufweisen, um sie auch bei hohen Laserleistungen (Pulsspitzenleistungen) einsetzen zu können. Weiterhin sollte sich die reflektierende optische Oberfläche im Einsatz nicht aufgrund dynamischer Belastung verformen, da dies zu Abbildungsfehlern führt.
Konventionelle Ablenkspiegel mit Glas-, Keramik- oder Quarzsubstraten geraten bedingt durch immer höhere Leistungsdichten sowie Anforderungen an Leichtbau- und Materialbeständigkeit an ihre Grenzen. Der Einsatz von synthetischem CVD-Diamant (CVD: Chemical Vapor Deposition) als Substratmaterial bietet aufgrund des sehr hohen Brechungsindex, der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit, der hohen Härte, des hohen Elastizitätsmoduls und der Medienbeständigkeit, darunter auch die Belastbarkeit bei kurzwelliger Strahlung, ein großes Potential für Hochleistungslaseranwendungen. Der Diamant wird dabei in einem Plasma aus der Gasphase abgeschieden. Durch die fortlaufende Optimierung des Diamant-Abscheideverfahrens entstehen neue Möglichkeiten für Diamantanwendungen. Spiegel aus Diamant weisen überragende Materialeigenschaften (höhere Wärmeleitfähigkeit, geringe Absorption, höhere Resonanzfrequenz) gegenüber Quarzglas, Siliciumcarbid (SiC) und Beryllium auf und erfüllen daher die Anforderungen an hohe Zerstörschwellen. Bei gleichem Verhältnis von maximaler Verformung des Substrates zur Winkelbeschleunigung ergibt sich für die Substratdicke die Abhängigkeit $d \sim \sqrt{\frac{ρ}{E}},$
wobei ρ die Materialdichte und E das Elastizitätsmodul ist. Damit ergibt sich für rechteckige Planplatten ein Verhältnis der Dicken von Diamant zu SiC von d_Diamant/d_Sic = 0,67. Da polykristalline Diamantsubstrate wirtschaftlich nur bis zu Dicken von wenigen mm (< 3mm) herstellbar sind, können die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu wesentlich dickeren Substraten aus herkömmlichen Materialien ohne weitere Maßnahmen nicht erreicht werden.
Stand der Technik
Ablenkspiegel aus Diamant für Strahlablenkungssysteme sind bislang kommerziell nicht erhältlich. Herkömmliche, kommerziell verfügbare Ablenkspiegel (Planoptiken) für Hochleistungs-Galvanometer-Scanner weisen eine kleine Zerstörschwelle in Folge von Absorption in Substrat und Beschichtung auf und/oder limitieren die Ablenkgeschwindigkeit aufgrund ihrer Masse und ihres Trägheitsmoments im Falle von SiC und aufgrund ihrer dynamischen Deformation im Falle von Quarzglas. Bei Ablenkspiegeln aus Beryllium besteht das Problem ihrer schlechten Beschichtbarkeit und ihrer Toxizität.
Aus der WO 2015/086419 A1 ist ein Ablenkspiegel aus synthetischem Diamant bekannt, der für Hochleistungslaseranwendungen geeignet ist. Das Spiegelsubstrat ist hierzu mit einer speziellen Schichtfolge aus einer metallischen Schicht, einer Verbindungsschicht sowie mehreren dielektrischen Schichten beschichtet.
Die DE 103 39 220 B4 beschreibt einen Spiegel für eine Ablenkeinheit in einem Lasersystem, der aus mehreren einzelnen Diamantsegmenten zusammengesetzt ist. Durch diesen Aufbau soll die Planität bei größeren Spiegeln verbessert werden, da die Abweichung von der optimalen Ebenheit bei größeren Spiegeln durch eine Eigenspannung im Substrat hervorgerufen wird. In der bevorzugten Ausgestaltung dieser Druckschrift wird das Trägersubstrat, das für die Herstellung des Diamants eingesetzt wird, ganz oder teilweise entfernt, um die Trägheitsmasse des Spiegels gering zu halten. Durch partielles Abätzen des Trägersubstrats können Verstrebungen und Rippen stehengelassen werden, die zur zusätzlichen Versteifung des Spiegels beitragen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ablenkspiegel für optische Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, anzugeben, der ein geringes Trägheitsmoment und eine hohe Steifigkeit aufweist und dessen reflektierende Oberfläche nicht oder nur zu einem für die Anwendung vernachlässigbaren Anteil durch innere Spannungen beeinträchtigt wird. Weiterhin soll auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Ablenkspiegels angegeben werden.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Ablenkspiegel und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ablenkspiegels sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Der vorgeschlagene Ablenkspiegel für optische Strahlung weist ein monolithisches Substrat aus Diamant auf, das zumindest an der Vorderseite mit einer reflektierenden Schicht oder Schichtfolge beschichtet und mit einer rückseitigen oder inneren Strukturierung zur Verringerung des Trägheitsmoments des Substrats versehen ist. Unter der Vorderseite ist hierbei die Seite des Ablenkspiegels zu verstehen, an der die einfallende optische Strahlung reflektiert werden soll. Die Rückseite ist entsprechend die der Vorderseite gegenüberliegende Seite des Substrats. Unter der rückseitigen oder inneren Strukturierung ist die Bildung einer makroskopischen Struktur zu verstehen, beispielsweise durch Bildung von Stegen oder Ausnehmungen. Bei dem vorgeschlagenen Ablenkspiegel, insbesondere einem Planspiegel, ist diese Strukturierung in einer ersten Alternative so gewählt, dass durch die Beschichtung mit der reflektierenden Schicht oder Schichtfolge verursachte mechanische Spannungen im Substrat zumindest zum Teil durch die Strukturierung ausgeglichen werden. In einer zweiten Alternative ist die Oberflächenform des Substrates (vor dem Aufbringen der Beschichtung) so gewählt, dass durch die Beschichtung mit der reflektierenden Schicht oder Schichtfolge verursachte mechanische Spannungen im Substrat zur Bildung einer planen Vorderseite des Substrats führen. Beide Alternativen können auch geeignet kombiniert werden.
Durch die rückseitige oder innenliegende Strukturierung des Substrats aus Diamant kann eine wirtschaftliche Herstellbarkeit bei ausreichender Steifigkeit des Substrats erreicht werden. Die Struktur führt dabei einerseits zu einer Erhöhung der Steifigkeit des entsprechend teilweise gedünnten Substrats und ermöglicht auf der anderen Seite eine Reduzierung der Masse und damit des Trägheitsmoments im Vergleich zu einem Substrat gleicher Steifigkeit ohne eine derartige Struktur. Hierbei wurde erkannt, dass durch diese Strukturierung auch Spannungen im Substrat zumindest zum Teil ausgeglichen werden können, die durch die Beschichtung des Substrats mit der reflektierenden Schicht oder Schichtfolge verursacht werden. Die hierfür geeignete Ausgestaltung der Struktur bzw. Strukturierung kann entweder durch vorherige Simulation, beispielsweise durch ein iteratives Verfahren mit Hilfe von Finite-Elemente-Programmen, oder durch geeignete Vorversuche mit Messungen ermittelt werden.
In einer Ausgestaltung gemäß der zweiten Alternative wird die Oberflächenform der Substrate so gewählt, dass durch die Beschichtung hervorgerufene Spannungen diese Oberflächenform gerade so ausgleichen, dass eine plane Oberfläche erzielt wird. Dies kann - bei entsprechenden mechanischen Spannungen - dadurch realisiert werden, dass die Vorderseite des Substrats ohne die reflektierende Schicht oder Schichtfolge mit einer Krümmung versehen wird, die so gewählt ist, dass die Krümmung durch die mechanischen Spannungen aufgrund der Beschichtung mit der reflektierenden Schicht oder Schichtfolge ausgeglichen und dadurch die plane Vorderseite erhalten wird.
In einer Ausgestaltung weist das Substrat nur eine innere Strukturierung auf und die reflektierende Schicht oder Schichtfolge ist auch auf der Rückseite des Substrats aufgebracht. Durch eine entsprechend symmetrische Ausgestaltung der Strukturierung und der Beschichtungen wird erreicht, dass sich die durch die Beschichtungen hervorgerufenen Spannungen im Substrat gegenseitig aufheben, so dass diese die reflektierende Oberfläche des Substrats nicht beeinträchtigen. Dies kann auch durch Aufbringen einer anderen Schicht oder Schichtfolge auf die Rückseite des Substrates erreicht werden, die ähnliche mechanische Eigenschaften wie die reflektierende Schicht oder Schichtfolge der Vorderseite aufweist bzw. vergleichbare mechanische Spannungen induziert. Insbesondere sollte hierzu der effektive Wärmedehnungskoeffizient der beiden Schichten (näherungsweise zu bestimmen aus Schichtdicken und Schichtmaterialien) ähnlich und/oder die beim Beschichtungsprozess, insbesondere beim Sputtern, eingebrachte Druckspannung vergleichbar sein. Durch geeignete Ausbildung bzw. Wahl dieser rückseitigen Schicht oder Schichtfolge kann erreicht werden, dass im Vergleich zu einem Zustand ohne eine derartige Schicht oder Schichtfolge ein höherer Anteil optischer Strahlung, die über die Vorderseite des Substrats in das Substrat eintritt, über die Rückseite wieder aus dem Substrat austritt. Dadurch wird eine unerwünschte Aufheizung des Substrats reduziert.
Der Einsatz des vorgeschlagenen Ablenkspiegels in Galvanometer-Ablenkeinheiten ermöglicht höhere Arbeits- bzw. Ablenkgeschwindigkeiten und höhere Laserleistung. Bei dem Diamantmaterial kann es sich um monokristallinen oder polykristallinen CVD-Diamant oder auch um natürlichen Diamant handeln. Die (vorderseitige) optische Oberfläche des Diamantsubstrats wird vorzugsweise mittels dielektrischer Beschichtung verspiegelt. Es kann auch eine reflektierende Schichtfolge aus einer oder mehreren dielektrischen Schichten, auch in Verbindung mit einer oder mehreren metallischen Schichten, eingesetzt werden. Insbesondere können die Diamantsubstrate vor der dielektrischen Beschichtung mit einer metallischen Beschichtung versehen werden. Diese kann drei Eigenschaften erfüllen. Erstens kann die Metallisierung nach Aufbringung nachbehandelt, zum Beispiel poliert, werden, um die erforderliche Oberflächengüte für den Spiegel zu bieten. Die Anforderungen an das Diamantsubstrat sind dann geringer und die Herstellung des Substrats wird kostengünstiger, da kleine Poren in der Diamantoberfläche durch die Metallisierung geschlossen werden. Zweitens wird die dielektrische Beschichtung nicht direkt auf den Diamant aufgebracht, so dass die Gefahr lokaler Ablösung der dielektrischen Beschichtung reduziert wird. Das Metall dient dann als Haftschicht. Drittens kann Reststrahlung, die nicht durch die dielektrische Beschichtung (zum Beispiel bei Einfall unter großen Winkeln) reflektiert wird, an der Metallisierung reflektiert werden. Ist die Absorption durch die Metallisierung geringer als eine Absorption der Strahlung durch das Substrat, so wird die Aufheizung des Spiegels dadurch reduziert.
Die rückseitige oder innere Strukturierung des Substrats kann mittels Laserstrahlung oder alternativen subtraktiven Fertigungsverfahren wie beispielsweise Focused Ion Beam (FIB), E-Beam- oder Ultraschallabtrag erfolgen. Alternativ können die strukturierten Substrate auch in einer Negativform gewachsen werden. Vorzugsweise wird gepulste Laserstrahlung eingesetzt, um den Diamant lokal abzutragen. Beim laserbasierten Abtrag werden der Laserstrahl durch eine optische Vorrichtung oder das Substrat relativ zum Laserstrahl mittels eines Positionssystems ausgerichtet sowie Laserstrahl und Substrat zueinander bewegt. Durch den laserbasierten Abtrag können große Strukturtiefen von mehr als 1mm erreicht werden. Alternativ kann der Abtrag auch mittels selektivem laserinduziertem Ätzen vorgenommen werden. Der Abtrag kann je nach Ausgestaltung des Spiegels sowohl an der rückseitigen Oberfläche des Substrats als auch so erfolgen, dass ein Volumen im Inneren des Substrats entfernt wird. Bei der inneren Strukturierung bleiben sowohl die Spiegeloberfläche als auch die Rückseite des Spiegels unverändert, so dass diese planen Flächen gleichermaßen beschichtet werden können. Die Topologie der Substrate wird dabei so gestaltet, dass bei möglichst geringer Masse bzw. geringem Massenträgheitsmoment um die Rotationsachse eine maximal zulässige dynamische Deformation der Spiegeloberfläche nicht überschritten wird. Die Struktur wird vorzugsweise mit Hilfe von iterativen Finite-Elemente-Programmen ausgelegt. Da der Abtrag mit Submikrometer-Genauigkeit erfolgt, können über ein scannendes Verfahren komplexe Topologien vom Substrat abgetragen werden.
Die Beschichtung des Substrats mit der reflektierenden Schicht oder Schichtfolge kann sowohl nach der Strukturierung als auch bereits vor der Strukturierung des Substrats durchgeführt werden. Bei einer Strukturierung im Anschluss an die Beschichtung kann die reflektierende Oberfläche des Substrats auch während des Strukturierungsprozesses hinsichtlich ihrer Planität überwacht werden, beispielsweise mittels interferometrischer Messung. Der Strukturierungsprozess wird dann bei Erkennung einer beginnenden Deformation der Spiegeloberfläche an dieser Stelle gestoppt und an einer anderen Stelle des Substrats fortgeführt oder vollständig beendet. Eine für die Anwendung unkritische, geringe Deformation kann dabei toleriert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Form der Strukturierung vorab durch ein Optimierungsverfahren ermittelt. Bei diesem Optimierungsverfahren wird unter der Annahme einer Rotation des Ablenkspiegels um eine Rotationsachse - entsprechend dem Einsatz in einem Galvanometer-Scanner - und einer thermischen Quelle - aufgrund der Absorption eines Laserstrahls - das Trägheitsmoment des Substrats um die Rotationsachse, die Deformation des Substrats durch die Rotation und die Temperatur des Substrats minimiert. Geeignete Optimierungsverfahren sind dem Fachmann bekannt. Auf diese Weise wird ein für den beabsichtigen Einsatz optimal geeigneter Ablenkspiegel mit hoher erster Eigenfrequenz, geringem Trägheitsmoment, guter Wärmeverteilung und geringen dynamischen Deformationen erhalten.
Der vorgeschlagene Ablenkspiegel eignet sich vor allem für dynamische Anwendungen, bei denen der Ablenkspiegel vollständig oder teilweise um eine Rotationsachse rotiert wird. Ein Beispiel hierfür sind Galvanometer-Scanner für den Einsatz mit Hochleistungslasern. Der Ablenkspiegel ermöglicht hohe Arbeitsgeschwindigkeiten der Ablenkeinheit aufgrund der reduzierten Massenträgheit und höhere Zerstörschwellen der Spiegel aufgrund der geringeren Absorption im Substrat.
Figurenliste
Der vorgeschlagene Ablenkspiegel sowie das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 ein Beispiel für den Einsatz des vorgeschlagenen Ablenkspiegels in einer Ablenkeinheit für Laserstrahlung;
2 ein Beispiel für den vorgeschlagenen Ablenkspiegel mit rückseitiger Strukturierung;
3 ein Beispiel für den vorgeschlagenen Ablenkspiegel mit innerer Strukturierung von der Seite (Teilabbildung A) und in perspektivischer Ansicht (Teilabbildung B) ;
4 ein Beispiel für die rückseitige Strukturierung des Ablenkspiegels; und
5 ein Beispiel für die Vorgehensweise zur Auslegung der rückseitigen Spiegelstruktur.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Der vorgeschlagene Ablenkspiegel eignet sich besonders für die dynamische Ablenkung von Hochleistungslaserstrahlung mit Hilfe eines Galvanometer-Scanners. 1 zeigt beispielhaft eine derartige Anwendung, bei der ein Laserstrahl 5 über einen Galvanometer-Scanner auf eine Bearbeitungsebene 4 gerichtet wird. Der Laserstrahl 5 wird dabei über zwei durch Galvanometer-Antriebe 2 bewegte Ablenkspiegel 1, 6 zur Durchführung einer Scanbewegung dynamisch abgelenkt und über eine F-Theta-Optik 3 in die Bearbeitungsebene 4 fokussiert. Die Bewegung bzw. Rotation eines dieser Ablenkspiegel 6 ist in der 1 angedeutet. Für sehr hohe Ablenkgeschwindigkeiten müssen die Ablenkspiegel 1, 6 eine kleine Masse und damit geringe Trägheit aufweisen. Sie müssen andererseits jedoch ausreichend steif sein, um durch die bei der Rotation auftretenden Trägheitskräfte nicht deformiert zu werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein geeigneter Ablenkspiegel aus Diamant für diese Anforderungen bereitgestellt. In einer Ausgestaltung ist dieser Ablenkspiegel auf der Rückseite geeignet strukturiert, um einerseits eine geringe Trägheit bei hoher Steifigkeit des Diamantsubstrats zu erreichen und andererseits mechanische Spannungen im Substrat auszugleichen, die durch die Beschichtung mit der reflektierenden Schicht oder Schichtfolge entstehen.
2 zeigt hierzu ein Beispiel für einen derartigen Ablenkspiegel 1 mit einer rückseitigen Strukturierung. Der Ablenkspiegel 1 ist in dieser Figur so dargestellt, dass lediglich dessen rückseitige Strukturierung 7 zu erkennen ist, nicht jedoch die vorderseitige Beschichtung. Die Strukturierung 7 weist in diesem Beispiel geeignete Ausnehmungen 8 in der Rückseite auf, durch die Stege 9 gebildet werden, die von der Außenseite des Spiegelsubstrats zum Zentrum hin ansteigen.
Ein Beispiel für einen Ablenkspiegel 1 mit innerer Strukturierung ist in 3 dargestellt. Auch in dieser Abbildung ist lediglich das strukturierte Spiegelsubstrat abgebildet, nicht jedoch die vorderseitige und ggf. rückseitige Beschichtung. Die Strukturierung 7 weist in diesem Beispiel mehrere Ausnehmungen 8 im Inneren des Substrates auf, zwischen denen Stege 9 verbleiben, wie dies in der Seitenansicht der 8A und der perspektivischen Ansicht der 8B zu erkennen ist.
4 zeigt ein Beispiel für die Herstellung einer derartigen Strukturierung mit Hilfe einer Laserbearbeitung. Die Laserbearbeitung kann hierbei wiederum mit Hilfe eines Galvanometer-Scanners erfolgen, bei dem ein Ablenkspiegel 1 zur dynamischen Strahlablenkung des Laserstrahls 5 eingesetzt wird. Das zu strukturierende Spiegelsubstrat 10 des Diamantspiegels befindet sich hierbei auf einem Positioniertisch 11, der in Richtung des Doppelpfeils verschiebbar ist. Mit Hilfe eines geeigneten Objektivs 12 wird der Laserstrahl 5 auf die Rückseite des Spiegelsubstrats 10 fokussiert, um die gewünschten Ausnehmungen von der Rückseite abzutragen.
Beim dielektrischen Beschichten der Spiegelsubstrate entstehen bedingt durch das Beschichtungsverfahren mechanische Spannungen zwischen dem Grundsubstrat (Diamantsubstrat) und der Beschichtung. Diese Verspannungen relaxieren teilweise nach dem Beschichtungsprozess und können somit zu einer Deformation der Spiegeloberfläche, also zu einem Formfehler bzw. einer Formabweichung, führen. Diese Formabweichung wird bei dem vorgeschlagenen Ablenkspiegel und dem zugehörigen Verfahren verringert oder vermieden. Hierzu werden mehrere Methoden vorgeschlagen. Die erste Methode besteht im Vorhalten einer zur Formabweichung inversen Geometrie der Oberfläche des Spiegelsubstrats. Diese Geometrie wird nach dem Diamantwachstum bzw. nach Herstellung des planen Spiegelsubstrats durch ein abtragendes Verfahren hergestellt. Es können konvexe sowie konkave Oberflächen in einem klassischen Topfschleif- bzw. Topfpoliturprozess erzeugt werden. Die zweite Methode zur Verringerung der Formabweichung liegt in der gezielten Gestaltung der rückseitigen Strukturierung zur Kompensation der im Beschichtungsprozess auftretenden Spannungen. Die rückseitige Stützstruktur weist dabei nach der Auslegung eine hohe Steifigkeit bei dynamischer Bewegung sowie eine gezielte Steifigkeit zur Vermeidung des Verzugs durch Oberflächenspannungen auf der optischen Oberfläche auf. Die Auslegung dieser Stützstruktur kann sowohl theoretisch, computergestützt als auch durch eine iterative experimentelle Herangehensweise erfolgen. Bei der dritten Methode zur Verringerung der Formabweichung wird die Oberfläche des Spiegels während des Strukturierungsprozesses gemessen und der Abtrag lokal so angepasst, dass frei werdende Verspannungen kompensiert werden. Dazu wird von der Rückseite gezielt lokal mehr oder weniger Material relativ zur ursprünglich ausgelegten Stützstruktur abgetragen. Die Beschichtung erfolgt bei dieser Methode vor der Strukturierung. Bei der vierten Methode wird das Substrat im Inneren strukturiert, so dass die Rückseite plan bleibt und in gleicher Weise wie die Spiegeloberfläche beschichtet werden kann. Die durch die Beschichtung(en) auftretenden Verspannungen induziert an Vorder- und Rückseite kompensieren sich auf diese Weise gegenseitig und minimieren so die Formabweichung.
Ein Beispiel für die Vorgehensweise bei der Auslegung des vorgeschlagenen Ablenkspiegels wird im Folgenden in Verbindung mit 5 erläutert. Hierbei wird von einer initialen Dichtefunktion ρ₀(x,y,z) ausgegangen. Die für eine konstante dynamische Ebenheit erforderliche Substratdicke ist näherungsweise proportional zum Aperturdurchmesser bzw. zur lateralen Abmessung des Spiegels. Daraus ergibt sich ein Parameterfenster für die wirtschaftliche Herstellbarkeit von Spiegeln aus z.B. polykristallinem Diamant für Aperturdurchmesser unter 50mm. Im ersten Schritt erfolgt die Definition eines Gestaltungsraums, in dem mit Hilfe des genannten Zusammenhangs für gegebene laterale Abmessungen eine maximale Substratdicke ermittelt wird. Anschließend erfolgt eine iterative numerische Analyse (Topologieoptimierung) mit dem Ziel einer Minimierung der Energiedichte des elastischen Feldes (Minimierung der Deformation), des Massenträgheitsmomentes um die Rotationsachse und der Temperatur im Substrat, wie dies im Ablaufdiagramm der 5 beispielhaft dargestellt ist. Für die mechanische und thermische Analyse werden Randbedingungen aufgebracht und es erfolgt die Definition eines geometrischen Bereiches des Spiegelvolumens, von dem Material entfernt werden kann, ohne die mechanische Einspannung oder die optischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Zu den Randbedingungen zählen Trägheitskräfte, thermische Quellen durch absorbierte Laserstrahlung und Eigenspannungen, die durch das Aufbringen einer optischen Beschichtung induziert werden. Diese Eigenspannungen entstehen z.B. durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Substrat- und Beschichtungsmaterialien oder durch das Beschichtungsverfahren, insbesondere beim Sputtern. Während der Topologieoptimierung wird die Materialdichte im Gestaltungsraum iterativ derart variiert, dass die vorgegebene Zielfunktion einen minimalen Wert annimmt. In der Iteration kann ein Laplace-Filter oder eine Randbedingung für die Gradienten zur Glättung der Dichtefunktion eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Ablenkspiegel
2: Galvanometer-Antrieb
3: F-Theta-Optik
4: Bearbeitungsebene
5: Laserstrahl
6: Ablenkspiegel
7: Strukturierung
8: Ausnehmungen
9: Stege
10: Spiegelsubstrat
11: Positioniertisch
12: Objektiv

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/086419 A1 [0005]
DE 10339220 B4 [0006]

Claims

Ablenkspiegel für optische Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, der ein monolithisches Substrat (10) aus Diamant aufweist, das zumindest an einer Vorderseite mit einer reflektierenden Schicht oder Schichtfolge beschichtet und mit einer rückseitigen oder inneren Strukturierung (7) zur Verringerung eines Trägheitsmoments des Substrats (10) versehen ist, wobei die Strukturierung (7) und/oder eine Oberflächenform des Substrats (10) so gewählt sind, dass durch die Beschichtung mit der reflektierenden Schicht oder Schichtfolge verursachte mechanische Spannungen im Substrat (10) zumindest zum Teil ausgeglichen werden und/oder zur Bildung einer planen Vorderseite des Substrats (10) führen.
Ablenkspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseite des Substrats (10) ohne die reflektierende Schicht oder Schichtfolge eine Krümmung aufweist, die so gewählt ist, dass die Krümmung durch die mechanischen Spannungen aufgrund der Beschichtung mit der reflektierenden Schicht oder Schichtfolge ausgeglichen und dadurch eine plane Vorderseite erhalten wird.
Ablenkspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) nur eine innere Strukturierung (7) aufweist und die reflektierende Schicht oder Schichtfolge auch an der Rückseite des Substrats (10) aufgebracht wird.
Ablenkspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) nur eine innere Strukturierung (7) aufweist und an der Rückseite des Substrats (10) eine Schicht oder Schichtfolge aufgebracht wird, durch die im Vergleich zu einem Zustand ohne eine derartige Schicht oder Schichtfolge ein höherer Anteil optischer Strahlung, die über die Vorderseite des Substrats (10) in das Substrat eintritt, über die Rückseite wieder aus dem Substrat (10) austritt.
Ablenkspiegel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Rückseite des Substrats (10) aufgebrachte Schicht oder Schichtfolge vergleichbare mechanische Spannungen induziert wie die reflektierende Schicht oder Schichtfolge.
Ablenkspiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (7) so gewählt ist, dass der Ablenkspiegel (1) ein möglichst geringes dynamisches Trägheitsmoment bei möglichst großer Steifigkeit aufweist.
Ablenkspiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Schicht durch eine dielektrische Schicht gebildet ist.
Ablenkspiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Schichtfolge durch eine Schichtfolge aus wenigstens einer dielektrischen Schicht auf einer metallischen Schicht gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Ablenkspiegels (1) nach einem oder mehreren der vorangehenden Patentansprüche, bei dem eine Vorderseite eines monolithischen Substrats (10) aus Diamant mit einer reflektierenden Schicht oder Schichtfolge beschichtet wird, wobei das Substrat (10) vor oder nach der Beschichtung mit der reflektierenden Schicht oder Schichtfolge rückseitig oder innen strukturiert wird, um ein Trägheitsmoment des Substrats (10) zu verringern, und wobei die Strukturierung so durchgeführt wird und/oder eine Oberfläche des Substrats (10) vor der Beschichtung so geformt wird, dass durch die Beschichtung verursachte mechanische Spannungen im Substrat (10) zumindest zum Teil ausgeglichen werden und/oder zur Bildung einer planen Vorderseite des Substrats (10) führen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche an der Vorderseite des Substrats (10) vor der Beschichtung durch abtragende Bearbeitung mit einer Krümmung versehen wird, die so gewählt ist, dass die Krümmung durch die mechanischen Spannungen aufgrund der Beschichtung mit der reflektierenden Schicht oder Schichtfolge ausgeglichen und dadurch eine plane Vorderseite erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) nur innen strukturiert und auch die Rückseite mit der reflektierenden Schicht oder Schichtfolge beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) nur innen strukturiert und an der Rückseite des Substrats (10) eine Schicht oder Schichtfolge aufgebracht wird, durch die im Vergleich zu einem Zustand ohne eine derartige Schicht oder Schichtfolge ein höherer Anteil optischer Strahlung, die über die Vorderseite des Substrats (10) in das Substrat eintritt, über die Rückseite wieder aus dem Substrat (10) austritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung durch lasergestützten Materialabtrag erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung des Substrats (10) nach der Beschichtung mit der reflektierenden Schicht oder Schichtfolge erfolgt, wobei eine Oberflächenform der reflektierenden Schicht oder Schichtfolge während der Strukturierung vermessen und überwacht und die Strukturierung so durchgeführt wird, dass Formabweichungen der Oberflächenform von einer Sollform minimiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Form der Strukturierung vorab durch ein Optimierungsverfahren ermittelt wird, mit dem unter der Annahme einer Rotation des Ablenkspiegels um eine Rotationsachse und einer thermischen Quelle durch Absorption eines Laserstrahls das Trägheitsmoment des Substrats (10) um die Rotationsachse, eine Deformation des Substrats (10) und eine Temperatur im Substrat (10) minimiert werden.