F. Kazemi, G. Böhm, T. Arnold
Plasma Process Polym. 17 (2020)
https://doi.org/10.1002/ppap.202000016

In dieser Studie wird ein reaktiver Plasmastrahl auf Fluorbasis als vielversprechendes Werkzeug für die ultrapräzise Oberflächenbearbeitung von N-BK7® untersucht. Die im Plasma erzeugten Partikel reagieren mit einer N-BK7-Oberfläche und bilden flüchtige und nichtflüchtige Verbindungen. Die Desorption der flüchtigen Verbindungen führt zu einer geätzten Oberfläche, während die nichtflüchtigen Verbindungen eine Restschicht im geätzten Bereich bilden, die unvorhersehbare Auswirkungen auf die Ätzrate hat. Eine Oberflächentemperaturbehandlung wird vorgeschlagen, um das Bearbeitungsverfahren im Hinblick auf einen deterministischen Materialabtrag zu verbessern, was zu vorhersagbaren Ergebnissen führt. Es wird gezeigt, dass bei einer erhöhten Oberflächentemperatur die Eigenschaften der Restschicht zugunsten einer verbesserten Ätzleistung verändert werden. Das Ätzverhalten von N-BK7 wird mit Quarzglas verglichen, um die Optimalität der erzielten Ergebnisse zu verifizieren.

T. Arnold, G. Böhm, F. Kazemi
EPJ Web Conf. 238 (2020) 03001
https://doi.org/10.1051/epjconf/202023803001

Die Atmosphärendruck-Plasmajet-Bearbeitungstechnologie bietet eine flexible und effiziente Möglichkeit zur Herstellung präziser Freiformoptiken. Aufgrund des rein chemischen Materialabtrags, der auf einem Trockenätzprozess mit fluorhaltigem Gas basiert, ist die Auswahl der zu bearbeitenden Materialien begrenzt. Quarzglas, Si, SiC oder ULE® sind leicht zu bearbeiten, da die entstehenden Ätzprodukte ausschließlich flüchtig sind. In jüngster Zeit wird die Plasmabearbeitung auch zur Behandlung von optischen Gläsern wie N-BK7® eingesetzt, die unter anderem Alkalimetalle enthalten, die beim Ätzen eine feste Restschicht bilden. In diesem Beitrag wird ein neuer Ansatz zur Anwendung des deterministischen Plasma-Jet-Ätzens auf optischen Gläsern vorgestellt, der die durch die Restschicht verursachten komplexen Ätzeigenschaften beherrscht.

F. Kazemi, T. Arnold, P. Lorenz, M. Ehrhardt, K. Zimmer
Plasma Chem. Plasma Process 40 (2020) 1241-1251
https://doi.org/10.1007/s11090-020-10101-2

Für die Bearbeitung von Borosilicat-Kronglas N-BK7 wird ein Verfahren bestehend aus reaktivem atmosphärischem Plasmastrahl (RAPJ) Ätzen und Laserablation vorgeschlagen. Das Ätzen von metalloxidhaltigen Gläsern wie N-BK7 durch einen reaktiven Plasmastrahl auf Fluorbasis zeigt derzeit Einschränkungen durch die Bildung von nichtflüchtigen Reaktionsprodukten, die als Schicht auf der Glasoberfläche verbleiben. Die Fähigkeit der laserbasierten Entfernung von Restschichten wird mit der wasserbasierten Lösung der Restschicht verglichen. Nach dem RAPJ-Ätzen von N-BK7 werden die Proben entweder durch ein wasserbasiertes Lösungsmittel oder durch den Abtrag mit einem Nanosekunden-gepulsten Ultraviolettlaser gereinigt. Die Laserbestrahlung führt zu einer lokalisierten Entfernung der Restschicht. Es wird gezeigt, dass die Rauheit der lasergereinigten N-BK7-Oberfläche ähnlich gering ist wie bei lösungsmittelbasiert gereinigten Proben. Die gepulste laserunterstützte Reinigung ermöglicht jedoch eine trockene Bearbeitung bei Atmosphärendruck sowie eine lokalisierte Bearbeitung mit hoher lateraler Auflösung.

J. Bauer, M. Ulitschka, F. Pietag, T. Arnold
J. Astron. Telesc. Instrum. Syst. 4 (2018) 046003
https://doi.org/10.1117/1.JATIS.4.4.046003

Aluminiumspiegel bieten ein großes Potenzial, um den steigenden Bedarf an leistungsfähigen optischen Komponenten für sichtbare und ultraviolette Anwendungen zu befriedigen. Die Ionenstrahlformebung ist eine etablierte Fertigungstechnologie und eine vielversprechende Technik zur direkten Aluminium-Oberflächenfehlerkorrektur. Für die Bearbeitung stark gekrümmter oder beliebig geformter Oberflächen sowie für die Korrektur von Topographiefehlern mit niedriger bis mittlerer Ortsfrequenz ist der Einsatz einer Hochleistungs-Ionenstrahlquelle mit geringer Werkzeugbreite zwingend erforderlich. Aus diesem Grund werden zwei unterschiedliche Konzepte der Ionenstrahlerzeugung mit hoher Ionenstromdichte und geringer Strahlbreite diskutiert. Ein konkaves Ionenstrahlextraktionsgittersystem wird zur aperturlosen Einschnürung von Ionenstrahlen im niedrigen Millimeterbereich eingesetzt. Es wurde ein Sauerstoff-Ionenstrahl mit einer Halbwertsbreite (FWHM) von 4,0 mm bei einer Ionenstromdichte von 29,8 mA∕cm2 erreicht. Für noch kleinere Ionenstrahlen wurde ein konisches Aperturdesign mit einer submillimetergroßen Austrittsöffnung getestet. Ein Stickstoff-Ionenstrahl mit einer FWHM von bis zu 0,62 mm mit einer Ionenstromdichte von 4,6 mA∕cm2 wurde erreicht. Die In-situ-Ionenstromdichte wird durch scannende Faraday-Sondenmessungen vermessen. Besonderes Augenmerk wird auf die Datenauswertung für die Submillimeter-Ionenstrahlanalyse gelegt.

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

Es werden neue Fertigungsketten zur präzisen Herstellung von Asphären und optischen Freiformflächen unter Verwendung der Plasma Jet Machining (PJM)-Technologie vorgestellt. PJM basiert auf dem deterministischen plasmagestützten Materialabtrag. Die Technik hat das Potenzial für eine flexible und kosteneffiziente Formerzeugung und -korrektur von kleinen und mittelgroßen optischen Freiformelementen. Der Beitrag diskutiert die Wechselwirkungen zwischen den Plasmawerkzeugen und optischen Quarzglasproben im Kontext der vor- und zwischenbearbeiteten Oberflächenzustände und identifiziert mehrere Plasmastrahlbearbeitungsmethoden zur Freiformerzeugung, Oberflächenkorrektur und Nachbearbeitung sowie geeignete Hilfspolierverfahren. Die erfolgreiche Anwendung beider Bearbeitungsketten wird demonstriert.