DE102022204081B4

DE102022204081B4 - Vorrichtung zur direkten Laserinterferenzstrukturierung an Oberflächen von Bauteilen

Info

Publication number: DE102022204081B4
Application number: DE102022204081.3A
Authority: DE
Inventors: Andrés Fabián Lasagni; Bogdan Voisiat; Robert Baumann; Ronny De Loor
Original assignee: Scanlab GmbH
Current assignee: Scanlab De GmbH
Priority date: 2022-04-27
Filing date: 2022-04-27
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2042-04-28
Also published as: DE102022204081A1

Abstract

Vorrichtung zur direkten Laserinterferenzstrukturierung an Oberflächen von Bauteilen, bei derist ein von einer Laserstrahlungsquelle emittierter Laserstrahl (1) auf ein den Laserstrahl (1) in mindestens zwei Teilstrahlen (1.1, 1.2) teilendes optisches Element (2, 13) gerichtet unddie Teilstrahlen (1.1, 1.2) treffen auf ein erstes reflektierendes optisches Element (3) so auf, dass sie durch eine Durchbrechung (4.1), die in einem zweiten reflektierenden optischen Element (4) ausgebildet ist, auf reflektierende Oberflächen eines rotierenden Polygons (5) auftreffen undvon dort die Teilstrahlen (1.1, 1.2) auf ein in einem Winkel größer 0° und kleiner 90° in Bezug zu deren optischen Achsen ausgerichtetes drittes reflektierendes optisches Element (6) durch die Durchbrechung (4.1) hindurch gerichtet sind, wobeidie Teilstrahlen (1.1, 1.2) vom dritten reflektierenden optischen Element (6) auf mindestens eine senkrecht in Bezug zur Rotationsachse (A) des rotierenden Polygons (5) konkav gekrümmte Oberfläche des zweiten reflektierenden optischen Elements (4) gerichtet sind und die Teilstrahlen (1.1, 1.2) auf mindestens eine reflektierende Oberfläche (7A, 7B), die in einem Winkel größer 0° und kleiner 90° in Bezug zu deren optischen Achsen ausgerichtetes viertes reflektierendes optisches Element (7) auftreffen und von dort so in Richtung auf die Oberfläche des jeweiligen Bauteils (10) gerichtet sind, dass sie im Bereich der Oberfläche des Bauteils (10) miteinander interferieren.

Description

Das Projekt, das zu diesem Antrag geführt hat, wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 825132 gefördert.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur direkten Laserinterferenzstrukturierung an Oberflächen von Bauteilen. Dabei können an oder in einer Oberfläche eines Bauteils großflächig Strukturelemente durch einen Materialabtrag ausgebildet oder eine lokal definierte Modifizierung des Bauteilmaterials erreicht werden, die einer Strukturierung entsprechen kann, indem z.B. eine lokal definierte Volumenvergrößerung, eine Veränderung des optischen Brechungsindex bzw. der Reflektivität für auftreffende elektromagnetische Strahlung erreicht werden kann.
Das Verfahren der direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) hat sich in der Vergangenheit für einige Anwendungen bewährt. Es ist besonders für eine schnelle und großflächige Strukturierung an Oberflächen geeignet. Dazu sind verschiedenste optische Anordnungen bekannt. Für einige Anwendungen genügt die Produktivität immer noch nicht und es kann auch Defizite bei den realisierbaren Strukturperioden Λ, was deren Miniaturisierung betrifft, geben. In der Regel sind dazu auch großvolumige optische Anordnungen erforderlich, um entsprechend große Brennweiten und optische Wege zur Verfügung zu stellen, was wiederum die Einsatzmöglichkeiten einschränken kann.
Von Raenke, F. u.a. sind in „High througput laser surface micro-structuring of polysterene by combining direct laser interference pattering with polygon scanner technology"; Materials Letters: X; Vol. 14, 2022, S. 100144. - ISSN 2590-1508 Möglichkeiten zur Oberflächenstrukturierung beschrieben.
US 2020 / 0 101 560 A1 betrifft einen Laserbearbeitungsvorrichtung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine großflächige Strukturierung an Oberflächen von Bauteilen anzugeben, die ein relativ geringes Volumen für den erforderlichen optischen Aufbau erfordern und sehr klein dimensionierte filigrane Strukturierungen ermöglichen, die man auch in kurzer Zeit ausbilden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein von einer Laserstrahlungsquelle emittierter Laserstrahl auf ein den Laserstrahl in mindestens zwei Teilstrahlen teilendes optisches Element gerichtet. Die Teilstrahlen treffen dann auf ein erstes reflektierendes optisches Element so auf, dass sie durch eine Durchbrechung, die in einem zweiten reflektierenden optischen Element ausgebildet ist, auf reflektierende Oberflächen eines rotierenden Polygons auftreffen. Bekanntermaßen weisen optische Polygone an ihrer äußeren Oberfläche radial umlaufend mehrere reflektierende ebene und in der Regel planare Oberflächen auf, auf die bei Drehung des Polygons sukzessive elektromagnetische Strahlung, also im konkreten Fall die Teilstrahlen auftreffen und von dort je nach Auftreffwinkel auf eine weitere reflektierende Oberfläche reflektiert werden, da sich der Auftreffwinkel bei der Drehung des Polygons verändert, verändert sich auch der Winkel mit dem die Reflexion von dort erfolgt, so dass sich entsprechend auch der Auftreffwinkel auf im Strahlengang der Teilstrahlen nachfolgend angeordnete optische, insbesondere reflektierende Elemente und auch an der Oberfläche des jeweiligen Bauteils verändern lässt. Dadurch kann eine großflächige Strukturierung in kurzer Zeit erreicht werden.
Von den reflektierenden Oberflächen des Polygons sind die Teilstrahlen auf ein in einem Winkel größer 0° und kleiner 90° in Bezug zu deren optischen Achsen ausgerichtetes drittes reflektierendes optisches Element durch die Durchbrechung, die im zweiten reflektierenden optischen Element ausgebildet ist, hindurch gerichtet, wobei die Teilstrahlen vom dritten reflektierenden optischen Element auf eine senkrecht in Bezug zur Rotationsachse A des rotierenden Polygons konkav gekrümmte und reflektierende Oberfläche des zweiten reflektierenden optischen Elements gerichtet sind.
Die Teilstrahlen treffen im Strahlengang nachfolgend auf eine reflektierende Oberfläche, die in einem Winkel größer 0° und kleiner 90° in Bezug zu deren optischen Achsen ausgerichtetes viertes reflektierendes optisches Element auf. Von dort werden sie so in Richtung auf die Oberfläche des jeweiligen Bauteils gerichtet, dass sie im Bereich der Oberfläche des Bauteils miteinander interferieren. Die Ebene in der die Interferenz auftritt, kann mit der jeweiligen Oberfläche des Bauteils übereinstimmen. Diese Ebene kann aber auch in einem geringen Abstand über oder unter der jeweiligen Oberfläche durch entsprechende Fokussierung angeordnet werden.
Dazu sollten im Strahlengang der Teilstrahlen auch weitere optische Elemente angeordnet sein, mit denen eine Strahlformung und Fokussierung erreicht werden kann. Dabei sind diese optischen Elemente bevorzugt zwischen dem strahlteilenden optischen Element und der ersten reflektierenden Oberfläche eines entsprechend ausgebildeten und angeordneten optischen Elements angeordnet, auf die die Teilstrahlen zuerst auftreffen.
Dabei kann im Strahlengang der Teilstrahlen mindestens jeweils ein optisches Element angeordnet sein, mit denen eine Fokussierung in eine Achsrichtung und eine Fokussierung in eine senkrecht dazu ausgerichtete Achsrichtung erreicht werden kann.
Die Teilstrahlen können dabei mittels eines fünften reflektierenden optischen Elements, das bevorzugt um mindestens eine Achse B drehbar oder in einem Winkel von 45° in Bezug zur optischen Achse der auftreffenden Teilstrahlen ausgerichtet ist, auf die reflektierende Oberfläche des ersten reflektierenden optischen Elements gerichtet werden, bevor sie auf das erste reflektierende optische Element auftreffen. So kann eine Umlenkung der Teilstrahlen und eine Verlängerung des von ihnen bis zum Auftreffen auf die Oberfläche des Bauteils erreicht werden.
Die reflektierenden Oberflächen des ersten reflektierenden optischen Elements und des dritten reflektierenden optischen Elements sollten so ausgerichtet sein, dass die Teilstrahlen im Bereich des zweiten reflektierenden optischen Elements, in dem die Durchbrechung ausgebildet ist, durch die Durchbrechung hindurch geführt sind. Die von einer reflektierenden Oberfläche des zweiten optischen Elements umgebene Durchbrechung sollte eine rechteckige oder quadratische Außenkontur aufweisen, so dass die Teilstrahlen je nach Auftreffwinkel auf die reflektierenden Oberflächen des ersten optischen Elements und die reflektierenden Oberflächen des rotierenden Polygons ungehindert durch die Durchbrechung hindurch geführt sind.
Im Strahlengang der Teilstrahlen sollten Strahlfallen angeordnet sein, auf die Teilstrahlen höherer Brechungsordnung auftreffen. Die Strahlfallen sollten mit einer Kühlung versehen sein und verhindern, dass Teilstrahlen höherer Ordnung ebenfalls auf weitere reflektierende Oberflächen oder die Oberfläche des Bauteils auftreffen können.
Erstes reflektierendes optisches Element und drittes reflektierendes optisches Element sollten bevorzugt in einem Winkel zwischen 40° und 50° in Bezug zur optischen Achse der Teilstrahlen ausgerichtet sein.
Die Teilstrahlen können zusätzlich mit mindestens einem fünften reflektierenden optischen Element auf die reflektierende Oberfläche des ersten reflektierenden optischen Elements gerichtet werden. Dabei können die Teilstrahlen von der reflektierenden Oberfläche des fünften reflektierenden optischen Elements auf die reflektierende Oberfläche des ersten reflektierenden optischen Elements auftreffen, so dass sie von dort auf eine reflektierende Oberfläche des rotierenden Polygons auftreffen und dort zurück in Richtung auf das dritte reflektierende optische Element reflektiert werden, um wiederum vom dritten reflektierenden optischen Element auf die in Bezug zur Rotationsachse A des Polygons konkav gekrümmte reflektierende Oberfläche des zweiten reflektierenden optischen Elements gerichtet zu werden, bevor die Teilstrahlen nach der Reflexion am zweiten reflektierenden optischen Element mit dem vierten reflektierenden optischen Element in Richtung auf die zu strukturierende Oberfläche des Bauteils umgelenkt werden. Dabei werden die Teilstrahlen so in Bezug zueinander ausgerichtet, dass sie im Bereich der zu strukturierenden Oberfläche des Bauteils miteinander interferieren, um die jeweilige Strukturierung ausbilden zu können.
Ein fünftes reflektierendes optisches Element kann vorteilhaft um mindestens eine Rotationsachse B verschwenkt werden, um den Laserstrahl weiter in seiner Winkeleinrichtung beeinflussen zu können. Bei einer Rotationsmöglichkeit um zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Rotationsachsen, kann ebenso als wie wenn zwei fünfte reflektierende optische Elemente eingesetzt werden, bei denen ein zweites fünftes reflektierendes optisches Element um eine Achse, die um 90 ° in Bezug zur Achse B ausgerichtet ist, verschwenkt werden kann, kann eine zweidimensionale Auslenkung des Laserstrahls erreicht werden.
Ein viertes reflektierendes optisches Element kann zwei reflektierende Oberflächen aufweisen, mit denen eine Reflexion der Teilstrahlen in verschiedenen Achsrichtungen erreichbar ist.
Für eine großflächige Strukturierung kann eine bevorzugt translatorische Relativbewegung von Bauteil und Vorrichtung vorgenommen werden. Besonders bevorzugt wird lediglich das Bauteil bewegt.
Vorteilhaft können das erste reflektierende optische Element und das zweite reflektierende optische Element eine F-Theta-Optik bilden.
Die Teilstrahlen können in günstiger Weise in einem Winkel α zwischen den beiden Teilstrahlen, der kleiner 20°, bevorzugt kleiner 15° und besonders bevorzugt kleiner 10° ist, in Richtung auf die Oberfläche des Bauteils gerichtet sein. Die Teilstrahlen sollten auf ihrem Weg zwischen dem strahlteilenden optischen Element und der zu strukturierenden Oberfläche des Bauteils einen Weg von mindestens 500 mm, bevorzugt mindestens 600 mm zurücklegen. Dies kann durch mehrfache Reflexion in unterschiedliche und dabei auch in entgegengesetzte Richtungen erreicht werden, so dass das gesamte Volumen, das für den optischen Aufbau erforderlich ist, klein gehalten werden kann und alle optischen Elemente auf kleinem Raum in einem Gehäuse untergebracht werden können.
Vorteilhaft können die Teilstrahlen, die von reflektierenden Oberflächen des rotierenden Polygons auf das dritte reflektierende optische Element auftreffen, auf eine konvex gekrümmte Oberfläche auftreffen, deren reflektierende Oberfläche rotationssymmetrisch ist. Dabei sind die optischen Achsen der konvex und konkav gekrümmten reflektierenden optischen Elemente koaxial zueinander ausgerichtet.
Mit der Erfindung lassen sich Strukturperioden Λ kleiner 20 µm, bevorzugt kleiner 15 µm und besonders bevorzugt kleiner 10 µm realisieren.
Reflektierende Oberflächen optischer Elemente können mit einem auf die Wellenlänge der Laserstrahlung der Teilstrahlen abgestimmten Interferenzschichtsystem beschichtet sein.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

1 in schematischer Form ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
2 ein weiteres Beispiel in einer anderen perspektivischen Darstellung.

Bei dem in 1 und 2 gezeigten Beispiel wird der von einer nicht gezeigten Laserstrahlungsquelle emittierte Laserstrahl 1 durch mehrere strahlformende optische Element 11 und 12 das strahlteilende diffraktive optische Element 13 auftrifft, und mit diesem zwei Teilstrahlen 1.1 und 1.2 erhalten werden, die auf ein die Teilstrahlen 1.1 und 1.2 um 90 ° umlenkendes reflektierendes Element 8 und von dort so reflektiert werden, dass jeweils ein Teilstrahl 1.1 bzw. 1.2 auf eine Oberfläche eines Prismas 2 auftrifft oder daraus austritt, so dass sie in bestimmten Winkeln aus verschiedenen Richtungen durch mehrere optische Elemente 14 bis 16 auf eine reflektierende Oberfläche des mindestens einen fünften reflektierenden optischen Elements. Bei dem hier gezeigten Beispiel handelt es sich um fünftes reflektierendes optisches Element 9, das um zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Achsen verschwenkt werden kann, um eine zweidimensionale Auslenkung der Teilstrahlen zu ermöglichen. Es können aber auch in nicht gezeigter Form zwei fünfte reflektierende optische Elemente im Strahlengang der Teilstrahlen nacheinander angeordnet werden, auf die die Teilstrahlen 1.1 und 1.2 reflektiert und von dort weiter gerichtet werden können.
Die zwei fünften reflektierenden optischen Elemente 9A und 9B sind jeweils um eine Rotationsachse verschwenkbar, wobei eine Rotationsachse die Rotationsachse B und die andere Rotationsachse in einem Winkel von 90° dazu ausgerichtet ist.
Von dort werden die Teilstrahlen in Richtung auf eine reflektierende Oberfläche des ersten reflektierenden optischen Elements 3 gerichtet. Mit dem/den fünften reflektierenden Elemente(n) 9, 9A und 9B kann man den Auftreffort und somit auch den Auftreffwinkel mit dem die Teilstrahlen 1.1 und 1.2 auf die reflektierende Oberfläche des ersten reflektierenden optischen Elements 3 verändern, was sich nachfolgend auch auf die weitere Strahlführung der beiden Teilstrahlen 1.1 und 1.2 auswirkt.
Die von der Oberfläche des ersten reflektierenden optischen Elements 3 reflektierten Teilstrahlen 1.1 und 1.2 werden dann in Richtung des Polygons 5 so reflektiert, dass sie auf eine der rotierenden reflektierenden Oberflächen des Polygons 5 auftreffen. In der Darstellung sind nur zwei dieser reflektierenden Oberflächen des Polygons 5 gezeigt. Das Polygon 5 rotiert dabei um seine Rotationsachse A.
Die Teilstrahlen 1.1 und 1.2 gelangen auf ihrem Weg in ihrem Strahlengang durch die Durchbrechung 4.1, die im zweiten reflektierenden optischen Element 4 mit einer konkaven Oberfläche ausgebildet ist, und treffen auf die reflektierenden Oberflächen des Polygons 5 auf und werden von dort auf eine reflektierende konvexe Oberfläche des dritten reflektierenden optischen Elements 6 auf, um auf die reflektierende Oberfläche des zweiten reflektierenden optischen Elements 4 aufzutreffen und von dort auf reflektierende Oberflächen des vierten reflektierenden optischen Elements 7A und 7B aufzutreffen. Mit den reflektierenden Oberflächen 7A und 7B wird ein Teilstrahl 1.1 mit einem Winkel von 86° und der andere Teilstrahl 1.2 mit einem Winkel von 94° in Richtung auf die Oberfläche des Bauteils 10 gerichtet, so dass sich ein Wert α von 8° ergibt.

Claims

Vorrichtung zur direkten Laserinterferenzstrukturierung an Oberflächen von Bauteilen, bei der ist ein von einer Laserstrahlungsquelle emittierter Laserstrahl (1) auf ein den Laserstrahl (1) in mindestens zwei Teilstrahlen (1.1, 1.2) teilendes optisches Element (2, 13) gerichtet und die Teilstrahlen (1.1, 1.2) treffen auf ein erstes reflektierendes optisches Element (3) so auf, dass sie durch eine Durchbrechung (4.1), die in einem zweiten reflektierenden optischen Element (4) ausgebildet ist, auf reflektierende Oberflächen eines rotierenden Polygons (5) auftreffen und von dort die Teilstrahlen (1.1, 1.2) auf ein in einem Winkel größer 0° und kleiner 90° in Bezug zu deren optischen Achsen ausgerichtetes drittes reflektierendes optisches Element (6) durch die Durchbrechung (4.1) hindurch gerichtet sind, wobei die Teilstrahlen (1.1, 1.2) vom dritten reflektierenden optischen Element (6) auf mindestens eine senkrecht in Bezug zur Rotationsachse (A) des rotierenden Polygons (5) konkav gekrümmte Oberfläche des zweiten reflektierenden optischen Elements (4) gerichtet sind und die Teilstrahlen (1.1, 1.2) auf mindestens eine reflektierende Oberfläche (7A, 7B), die in einem Winkel größer 0° und kleiner 90° in Bezug zu deren optischen Achsen ausgerichtetes viertes reflektierendes optisches Element (7) auftreffen und von dort so in Richtung auf die Oberfläche des jeweiligen Bauteils (10) gerichtet sind, dass sie im Bereich der Oberfläche des Bauteils (10) miteinander interferieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Laserstrahl (1) in Teilstrahlen teilende optische Element (2, 13) ein diffraktives optisches Element ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlen (1.1, 1.2) mit mehreren in ihrem Strahlengang angeordneten optischen Elementen (11, 12,14, 15, 16) geformt und in Richtung Bauteiloberfläche fokussiert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlen (1.1, 1.2) mit einem fünften reflektierenden optischen Element (9) auf die reflektierende Oberfläche des ersten reflektierenden optischen Elements (3) gerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlen (1.1, 1.2) mittels mindestens eines fünften reflektierenden optischen Elements (9, 9A, 9B), das/die bevorzugt um mindestens eine Achse (B) drehbar oder in einem Winkel von 45° in Bezug zur optischen Achse der auftreffenden Teilstrahlen (1.1, 1.2) ausgerichtet ist, auf die reflektierende Oberfläche des ersten reflektierenden optischen Elements (3) gerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Teilstrahlen (1.1, 1.2) Strahlfallen angeordnet sind, auf die Teilstrahlen höherer Brechungsordnung auftreffen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erstes reflektierendes optisches Element (3) und viertes reflektierendes optisches Element (7) in einem Winkel zwischen 40° und 50° in Bezug zur optischen Achse der Teilstrahlen (1.1, 1.2) mit ihren reflektierenden Oberflächen ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlen (1.1, 1.2) in einem Winkel zwischen den beiden Teilstrahlen (1.1, 1.2), der kleiner 15°, bevorzugt kleiner 10° ist, in Richtung auf die Oberfläche des Bauteils (10) gerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlen (1.1, 1.2), die von reflektierenden Oberflächen des rotierenden Polygons (5) auf das dritte reflektierende optische Element (6) auftreffen, auf eine in Bezug zur Rotationsachse (A) des rotierenden Polygons konvex gekrümmte Oberfläche auftreffen.