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URN: urn:nbn:de:gbv:705-opus-29405
URL: http://opus.unibw-hamburg.de/volltexte/2011/2940/
Wiesner, Markus
Adaption der optischen Kohärenztomographie für die echtzeit-kontrollierte Mikrostrukturierung transparenter Materialien mit einem F2-Laser
pdf-Format:
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Kurzfassung in 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 in 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.
SWD-Schlagwörter:
Optische Kohärenztomographie , SAPHIR <Spektrometer> , Fluorlaser , Mikromechanik
Institut:
Lasertechnik und Werkstoffkunde / Prof. Dr. D. Kip (ehem. Prof. Dr. H. Harde)
Fakultät:
Fakultät Elektrotechnik
DDC-Sachgruppe:
Ingenieurwissenschaften
Dokumentart:
Dissertation
Hauptberichter:
Detlef, Kip (Univ.-Prof. Dr. rer. nat.)
Sprache:
deutsch
Tag der mündlichen Prüfung:
10.06.2011
Erstellungsjahr:
2011
Publikationsdatum:
04.07.2011
Zugang zum Dokument:
keine Einschränkung
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