Th. Arnold, G. Böhm, H. Paetzelt
J. Eur. Opt. Soc.-Rapid 11 (2016) 16002
DOI: 10.2971/jeos.2016.16002

Vorgestellt werden neue Fertigungsketten zur präzisen Herstellung von asphärischen und Freiform-Oberflächen, einschließlich der Plasma Jet Machining-Technologie (PJM). PJM basiert auf dem deterministischen plasmaunterstützten Materialabtrag. Die Technik weist großes Potenzial für eine flexible und kosteneffiziente Formgenerierung und -korrektur von kleinen und mittelgroßen optischen Freiformelementen auf. In der Arbeit werden Wechselwirkungsmechanismen zwischen Plasmawerkzeug und optischen Quarzglasproben im Kontext der vor und zwischen den Prozessschritten auftretenden Oberflächenzustände diskutiert. Es werden verschiedene Plasmajet-Bearbeitungsmethoden zur Freiformerzeugung, Oberflächenkorrektur und Endbearbeitung sowie geeignete Poliermethoden identifiziert. Schließlich wird die erfolgreiche Anwendung der jeweiligen Bearbeitungsketten demonstriert.

M. Ulitschka, J. Bauer, G. Dornberg, F. Frost, T. Arnold
Opt. Eng. 59 (2020) 035108
https://doi.org/10.1117/1.OE.59.3.035108

Nach der Herstellung durch Ultrapräzisions-Diamantdrehen erfüllen optische Aluminiumoberflächen die geforderten Anforderungen für Anwendungen im infraroten Spektralbereich. Optiken, die für Anwendungen im kurzwelligen sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich eingesetzt werden, erfordern jedoch verbesserte Oberflächenqualitäten. Zur Überwindung der Einschränkungen, die hauptsächlich durch strukturelle und chemische Inhomogenitäten von Aluminiumlegierungen verursacht werden, wird ein reaktives Ionenstrahl-Bearbeitungsverfahren unter Verwendung von Sauerstoff und Stickstoff als Betriebsgas eingesetzt. Diese Technologie ermöglicht eine direkte Oberflächenbearbeitung unter Beibehaltung der Ausgangsrauheit bis zu einer Ätztiefe von 1 μm unter Verwendung von niederenergetischen Ionenstrahlen. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von Sauerstoff die Glättung der Oberfläche im Mikrorauhigkeitsbereich. Basierend auf Monte-Carlo-Simulationen und der mittels Rasterkraftmikroskopie gemessenen Rauhigkeitsentwicklung werden die Vorteile der Prozessführung diskutiert und ein Prozesschema für die direkte Glättung von hochfrequenten Oberflächenmerkmalen vorgeschlagen.

F. Frost, R. Fechner, B. Ziberi, J. Völlner, D. Flamm, A. Schindler
J. Phys. Condens. Matter 21 (2009) 224026
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Die Ionenstrahlerosion kann als Verfahren zur Erzielung einer Oberflächenglättung auf mikroskopischen Längenskalen und zur Präparation von ultraglatten Oberflächen eingesetzt werden und stellt somit eine Alternative zur Nanostrukturierung verschiedener Oberflächen durch Selbstorganisation dar. Dies setzt voraus, dass bei der Entwicklung der Oberflächentopographie unterschiedliche Relaxationsmechanismen gegenüber der Aufrauung dominieren und es zu einer Glättung zunächst rauer Oberflächen kommen kann. Dieser Beitrag konzentriert sich auf die grundlegenden Mechanismen sowie auf mögliche Anwendungen der Oberflächenglättung mittels niederenergetischer Ionenstrahlen.

K. Zimmer, J. Zajadacz, F. Frost, A. Mayer, C. Steinberg, H.-F. Chang, J.-Y. Cheng, H.-C. Scheer
Appl. Surf. Sci. 470 (2019) 639-644
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.11.105

Die Nanostrukturierung von Oberflächen und dünnen Filmen mit Strukturdimensionen von weniger als 100 nm ist eine Herausforderung für die Laserbearbeitung, insbesondere bei großflächiger, kostengünstiger Herstellung. Self-Assembly-Prozesse bieten jedoch einen Mechanismus zur Mustererzeugung in diesem Abmessungsbereich und damit eine alternative Herstellungsmethode. Die aktuellen Arbeiten konzentrieren sich auf das Hochtemperatur-Kurzzeit-Laser-Annealing von PS-b-PMMA-Blockcopolymerfilmen (PS-b-PMMA BCP: Poly(styrol-block-methylmethacrylat)) auf Quarzglasproben, um die Selbstorganisation zu vertikalen Lamellen mit Perioden von etwa 50 nm zu erreichen. BCP-Proben wurden mit einem fokussierten CO₂-Laserstrahl bestrahlt, um den Einfluss der Laserleistung PL und der Scangeschwindigkeit gegenüber der Lamellenbildung in BCP-Filmen zu untersuchen. Die Lamellenbildung wird in der Mitte der Laserspur bei ausreichender Laserbestrahlung (PL: 2 bis 15 W, vs: 1 bis 250 mms-1) beobachtet. Mit zunehmender Laserbestrahlung verbessert sich zunächst die Qualität der Lamellen bis zu einem bestimmten Punkt, danach kommt es jedoch zu einer teilweisen Degradation des BCP und zu einer Entnetzung des BCP-Films. Die partielle Degradation der PMMA-Mikrophase des geordneten BCP führt zu einem lokalen Selbstentwicklungsprozess, der die Verarbeitungsschritte zur Nanomusterbildung reduziert. Die experimentellen Ergebnisse zur laserinduzierten lokalen Selbstorganisation mit Bestrahlungszeiten unter 0,1 s werden im Zusammenhang mit laserinduzierten Temperaturfeldsimulationen diskutiert. Die Kombination der Selbstassemblierungsfähigkeiten von BCP mit der lokalen Erwärmung durch Laserstrahlen kann ein Werkzeug für das direkte Schreiben hierarchischer Nano-/Mikroskala-Muster liefern, das für verschiedene Anwendungen, die bio-inspirierte Strukturen nachahmen, nützlich ist.