Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur direkten Laserinterferenz strukturierung (DLIP), mit der eine Strukturierung an Oberflächen von Werk- stücken oder Bauteilen aus unterschiedlichsten Werkstoffen ausgebildet wer den kann. Dabei muss die Oberfläche nicht zwingend die direkte nach außen weisende Oberfläche sein. Es kann auch eine Oberfläche sein, die von einem für die eingesetzte Laserstrahlung zumindest teilweise transparenten Werk stoff überdeckt ist.

Mit diesem Verfahren lassen sich hochaufgelöste Strukturierungen ausbilden, so dass an die verwendeten optischen Elemente und ihre Anordnung zuei nander hohe Anforderungen gestellt werden, um die erforderlichen Interfe renzeffekte nutzen zu können.

Dabei sollte die Aufteilung eines Laserstrahls in Teilstrahlen und die Strahlfüh rung entlang des optischen Weges so erfolgen, dass nur geringe Leistungsver- luste auftreten. Die von den einzelnen Teilstrahlen zurück gelegten Wege soll ten sich nicht bzw. nur sehr geringfügig unterscheiden, besonders wenn Ult- rakurzpuls-Laserquellen benutzt werden. Ein wichtiger Faktor ist auch die Möglichkeit der Veränderung der Interferenzperiode L je nach Anforderung. Natürlich ist anzustreben, die Kosten und den Justageaufwand für eine bei der DLIP einsetzbaren Anordnung so klein als möglich zu halten.

Die Teilung eines Laserstrahls in mehrere Teilstrahlen erfolgt üblicherweise mit Strahlteilern, Prismen oder diffraktiven optischen Elementen (DOEs).

So gibt es Konfigurationen mit reflektierenden Elementen, mit denen jedoch keine Beeinflussung der Interferenzperiode L möglich ist. Diese Ausführungs formen sind aber weder kompakt, noch kostengünstig sowie justieranfällig.

Es ist auch bekannt, ein DOE mit zwei optischen Linsen einzusetzen. Auch da mit kann keine Veränderbarkeit der Interferenzperiode L erreicht werden. Obwohl die Strahlteilung mit DOE eine praktische und kompakte Lösung dar stellt, gibt es signifikante Leistungsverluste infolge des eingesetzten diffraktiven . Darüber hinaus besitzen DOEs eine niedrige Zerstörschwelle, hohe Herstellungskosten und es kann lediglich für eine Wellenlänge einer La serstrahlung ausgelegt werden.

Zum Erzeugen von Interferenzmustern sind auch Konfigurationen mit zwei Bi- Prismen bekannt. Dabei muss ein auftreffender Laserstrahl einen Strahlquer schnitt aufweisen, mit dem eine signifikante Fläche eines Prismas überdeckt werden kann. Das Verteilungsverhältnis der Energie für die Teilstrahlen ist stark von der Ausrichtung und Anordnung der Prismen abhängig. Zudem kön nen nicht mehr als zwei miteinander interferierende Teilstrahlen genutzt wer den.

Bei einer Ausführungsform mit einem diffraktiven Element und einem Bi- Prisma wirken sich ebenfalls die durch das diffraktive Element bedingten Leis tungsverluste nachteilig aus. Es kann zwar eine Beeinflussung bzw. eine Ver änderung der Interferenzperiode L durch Änderung des Teilstrahlabstandes erreicht werden, jedoch bleibt die Konfiguration weiterhin kostenintensiv und es kann zudem keine symmetrische Dreistrahlinterferenz realisiert werden. Auch hier kann ein DOE lediglich für eine Wellenlänge ausgelegt werden.

So sind aus DE 10 2012 011 343 Al eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Interferenzstrukturierung von Proben sowie so hergestellte Proben bekannt.

DE 10 2011 119 764 Al betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Inter ferenzstrukturierung von flächigen Proben.

Eine optische Anordnung zur Laserinterferenzstrukturierung ist in DE 10 2011 101 415 Al offenbart.

Eine Vorrichtung, Anordnung und ein Verfahren zur Interferenzstrukturierung sind in DE 10 2011 011 734 Al beschrieben.

US 6,549,309 Bl betrifft eine Holografievorrichtung mit der holografische Muster hergestellt werden können.

Eine Laserabstandsmesseinrichtung ist aus US 2010/0033731 Al bekannt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die direkte Laserinterfe renzstrukturierung anzugeben, die mit einem einfachen und kostengünstigen optischen Aufbau verbunden sind, der flexibel an verschiedene Strukturie rungsaufgaben angepasst werden kann, bei dem Laserstrahlung mit unter schiedlichen Wellenlängen eingesetzt und mit dem eine Veränderung der In terferenzperiode L auf einfache und sichere Weise möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer optischen Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.

Bei der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zur direkten Laserinterfe renzstrukturierung ist ein von einer Laserstrahlungsquelle emittierter Laser strahl auf ein in einem Winkel von 45 ° in Bezug zur optischen Achse des La serstrahls mit seiner reflektierenden Oberfläche ausgerichtetes den Laser strahl reflektierendes Element gerichtet. Der mit dem reflektierenden Element reflektierte Laserstrahl trifft auf einen ersten Strahlteiler auf, mit dem der reflektierte Laserstrahl in zwei Teilstrahlen geteilt wird. Ein Teilstrahl, der mit dem ersten Strahlteiler erhalten worden ist, wird mittels des ersten Strahlteilers reflektiert und seine optische Achse in Richtung eines fokussierenden optischen Elements umgelenkt.

Bei einer ersten erfindungsgemäßen Alternative trifft ein zweiter durch den ersten Strahlteiler transmittierter Teilstrahl auf einen ersten Pentaspiegel, insbesondere einen Dach-Pentaspiegel (engl, roof-pentamirror) oder ein Pentaprisma auf und wird damit nach mehrfacher Reflexion und/oder Bre chung parallel zu optischen Achse des ersten Teilstrahls auf das fokussierende optische Element gerichtet.

Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Alternative ist ein mit dem ersten Strahlteiler erhaltener transmittierter zweiter Teilstrahl auf einen zweiten Strahlteiler gerichtet, mit dem der zweite Teilstrahl in einen reflektierten drit ten Teilstrahl und den am zweiten Strahlteiler transmittierten Anteil des zwei ten Teilstrahls aufgeteilt und der reflektierte dritte Teilstrahl parallel zur opti schen Achse des ersten reflektierten Teilstrahls des ersten Strahlteilers mit einem ersten Pentaspiegel, insbesondere einem Dach-Pentaspiegel oder ei nem Pentaprisma auf das fokussierende Element und der transmittierte Anteil des zweiten Teilstrahles auf einen zweiten Pentaspiegel, insbesondere einen Dach-Pentaspiegel oder ein Pentaprisma und damit nach mehrfacher Reflexi on und/oder Brechung parallel zu den optischen Achsen des ersten Teilstrahls und des reflektierten dritten Teilstrahls auf das fokussierende optische Ele ment gerichtet ist.

Bei beiden Alternativen werden die mit ihren optischen Achsen parallel zuei nander ausgerichteten Teilstrahlen mit dem fokussierenden optischen Ele ment, das bevorzugt eine Linse ist, zur Ausbildung einer Strukturierung an oder im Bereich einer Oberfläche miteinander interferierend auf diese Ober fläche gerichtet.

Außerdem soll das reflektierende Element bei Einhaltung des Winkels von 45 parallel zur optischen Achse des von der Laserstrahlquelle emittierten Laser strahls zur Beeinflussung der Interferenzperiode L verschiebbar sein. Dies be trifft insbesondere die Ausrichtung, Anordnung und Position der reflektieren den Fläche des reflektierenden Elements, mit der die Umlenkung des Laser strahls um 45 ° erreicht wird.

Das reflektierende Element sollte vorteilhaft über einen maximalen Weg ent lang der optischen Achse verschiebbar sein, der der Länge einer Kathete eines gleichschenkligen Dreiecks entspricht, bei dem die Länge der Fläche des ers ten Strahlteilers die Hypothenuse ist. Die Länge der Kathete ist dabei der Weg den beispielsweise eine äußere Kante des reflektierenden Elements bei der Verschiebung zurücklegt. So kann eine maximale Bandbreite bei der Variation der Interferenzperiode L ausgenutzt werden.

Im Strahlengang mindestens eines Teilstrahles kann eine planparallele Wel lenplatte vor dem fokussierenden optischen Element angeordnet sein. Damit kann die Polarisation des jeweiligen Teilstrahles individuell beeinflusst wer den.

Vorteilhaft können im Strahlengang des ersten Teilstrahls reflektierende Ele mente so angeordnet sein, dass der erste, der zweite Teilstrahl und gegebe nenfalls ein dritter Teilstrahl bis zum Auftreffen auf das fokussierende opti sche Element jeweils einen gleich langen Weg zurück legen. Der erste Teil strahl kann dabei mehrfach aus und wieder in die ursprüngliche optische Ach se reflektiert werden. Dies ist insbesondere beim Einsatz von Pico- oder Femtosekundenlaserstrahlquellen notwendig.

Die Teilstrahlen können auch durch ein zwischen dem ersten Strahlteiler, dem/den Pentaspiegel oder dem Pentaprisma, den Pentaspiegeln oder Pentaprismen und dem fokussierenden Element angeordnetes Dove-Prisma gerichtet werden. Die Teilstrahlen werden dabei gebrochen und reflektiert. Die Hauptachse des Dove-Prisma ist dabei parallel und deckungsgleich zur optische Achse OA.

Das Dove-Prisma kann bei der Strukturierung um eine Achse, die die die opti sche Achse OA oder eine Achse die parallel zu den parallel zueinander ausge richteten optischen Achsen der Teilstrahlen ausgerichtet ist, gedreht werden. Damit ist die Ausbildung von Interferenzmustern mit unterschiedlicher Win- kelausrichtung auf der jeweiligen Oberfläche bei der Ausbildung der Struktu rierung möglich.

Bei der ersten erfindungsgemäßen Alternative soll der erste Strahlteiler so ausgebildet sein, dass Energieanteile im Verhältnis 50 : 50 für einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl erhalten werden, wenn zwei Teilstra h len miteinander interferierend auf die jeweilige Oberfläche gerichtet sind.

Bei der zweiten erfindungsgemäßen Alternative sollte der erste Strahlteiler aber so ausgebildet sein, dass Energieanteile im Verhältnis 33 : 66 für einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl und der zweite Strahlteiler dann so ausgebildet sein, dass Energieanteile im Verhältnis 50 : 50 für einen ersten Teilstrahl des zweiten Teilstrahls und einen dritten Teilstrahl erhalten werden, wenn drei Teilstrahlen miteinander interferierend auf die jeweilige Oberfläche gerichtet sind.

Bei der Erfindung können Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt werden, ohne dass eine weitere Anpassung an der Anordnung vor genommen werden muss. Es können auch verschiedene Laserpulslängen beim Laserbetrieb problemlos genutzt werden.

Der Laserstrahl kann direkt von der Laserstrahlquelle auf das reflektierende Element gerichtet werden. Zwischen Laserstrahlquelle und dem reflektieren den Element können auch die Brennweite beeinflussende und den Quer schnitt des Laserstrahls formende optische Elemente im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet sein.

Durch die Variation der Position des reflektierenden Elements kann der Ab stand zwischen den parallel zueinander ausgerichteten optischen Achsen der Teilstrahlen verändert werden. Mit einer Verschiebung der reflektierenden Fläche des reflektierenden Elements in Richtung Laserstrahlquelle kann der Abstand der Teilstrahlen zueinander vergrößert und bei einer Bewegung in die entgegengesetzte Richtung verkleinert werden, was zu entsprechenden Inter ferenzperioden L und entsprechend ausgebildeten Strukturen an der jeweili gen Oberfläche führt.

Die Veränderung der Strukturperiode L eines ausgebildeten Interferenzmus ters folgt dabei der folgenden Gleichung: L = l/(2 sin(tan ¹ (h +2)/f)).

Dabei ist l die Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung, f die Brennweite des fokussierenden optischen Elements und L und h der Weg der Verschie bung der reflektierenden Fläche des reflektierenden Elements. Ein Diagramm zur Veranschaulichung ist in Figur 4 gezeigt.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei können die Merkmale unabhängig vom jeweiligen Einzelbeispiel oder seiner Darstellung in einer Figur miteinander kombiniert werden und sind nicht an das jeweilige einzelne Beispiel oder die einzelne Darstellung gebunden.

Dabei zeigen:

Figur la u. b in schematischer Form ein Beispiel einer erfindungsge mäßen optischen Anordnung mit zwei interferierenden Teilstrahlen und die Beeinflussung der Interferenzperiode durch Bewegung eines reflektierenden Elements;

Figur 2 eine schematische Darstellung eine zweiten Beispiels einer er findungsgemäßen Anordnung mit drei interferierenden Teilstrahlen;

Figur 3 zwei durch ein Dove-Prisma geführte Teilstrahlen;

Figur 4 ein Diagramm, das die Beeinflussung der Interferenzperiode in pm mittels der Bewegung des reflektierenden Elements in mm verdeutlicht und

Figur 5 Beispiele für Strukturelemente, die mit einer erfindungsgemä ßen Anordnung bei wechselnder Polarisationsrichtung herstellbar sind.

Figur la zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels einer erfindungs gemäßen Anordnung, bei der zwei Teilstrahlen 3 und 4, die miteinander inter ferierend auf eine zu strukturierende Oberfläche eines Werkstückes 9 gerich tet sind. Es wird ein Laserstrahl 2 von einer Laserstrahlungsquelle 1 auf ein reflektie rendes Element M, dessen reflektierende Fläche in einem Winkel von 45 ° in Bezug zur optischen Achse des von der Laserstrahlungsquelle 1 emittierten Laserstrahls 2 ausgerichtet ist, gerichtet. Der reflektierte Laserstrahl 2 trifft auf einen ersten Strahlteiler BS1 auf, dessen Fläche auf die der Laserstrahl 2 auftrifft um 45 ° zu dieser optischen Achse geneigt ist. An dieser Fläche wird ein Teil der Laserstrahlung reflektiert und so ein erster Teilstrahl 3 mit einer optischen Achse, die parallel zur optischen Achse des ursprünglich von der Laserstrahlungsquelle 1 emittierten Laserstrahls 2 in Richtung auf ein fokus sierendes Element L reflektiert.

Ein Teil der Laserstrahlung des Laserstrahls 2 transmittiert durch den ersten Strahlteiler BS 1 so dass ein zweiter Teilstrahl 4 auf reflektierende Flächen eines Dach-Pentaspiegels RPM1 auftrifft. Der zweite Teilstrahl 4 wird damit so reflektiert, dass er parallel zur optischen Achse des ersten Teilstrahls 3 in Rich tung des fokussierenden Elements L gerichtet wird.

Mit dem fokussierenden Element L werden die Teilstrahlen 3 und 4 miteinan der interferierend in Richtung auf die Oberfläche des Werkstücks 9, auf der eine Strukturierung ausgebildet werden sollen, fokussiert bzw. abgelenkt.

Bei dem in Figur la gezeigten Beispiel ist im Strahlengang des zweiten Teil strahls 4 zwischen den ersten Dach-Pentaspiegeln RPM1 und dem fokussie renden Element L eine planparallele Wellenplatte (l/2-Platte) 5 angeordnet.

Im Strahlengang des ersten Teilstrahls 3 sind zwischen dem ersten Strahlteiler BS1 und dem fokussierenden Element L reflektierende Elemente 6 angeord net. Die reflektierenden Elemente 6 sind so angeordnet und mit ihren reflek tierenden Flächen auf die der erste Teilstrahl 3 auftrifft, so ausgerichtet, dass die Differenz der Wege, die der erste Teilstrahl 3 und der zweite Teilstrahl 4 ausgehend vom ersten Strahlteiler BS1 bis zum Auftreffen auf das fokussie rende Element L zurücklegen, kompensiert und beide Teilstrahlen 3 und 4 dabei zumindest nahezu bzw. vollständig die gleiche Wegstrecke zurück legen.

Bei dem in Figur la gezeigten Beispiel sind im Strahlengang des Laserstrahls 2 im Anschluss an die Laserstrahlquelle 1 noch ein optisches Teleskop 8 und mindestens ein den Laserstrahl 2 formendes Element 10 angeordnet.

Mit dem Doppelpfeil soll angedeutet werden, dass das reflektierende Element M translatorisch und parallel zur optischen Achse des von der Laserstrahlquel le 1 emittierten und in seiner Richtung noch nicht veränderten Laserstrahls 2 bewegbar ist, um die Interferenzperiode L der beiden Teilstrahlen 3 und 4 zu verändern.

In Figur lb ist gezeigt, wie sich eine translatorische Verschiebung des reflek tierenden Elements M auswirkt. In der oberen Darstellung von Figur lb ist das reflektierende Element M in Richtung auf die Laserstrahlquelle 1 mit einem Betrag von 7 mm ausgehend von einer Mittellage verschoben. Dadurch wird die optische Achse des mit dem reflektierenden Element M abgelenkten La serstrahls 2 ebenfalls in Richtung der Laserstrahlquelle 1 verschoben. Dies hat zur Folge, dass sich der Abstand zwischen den optischen Achsen der beiden Teilstrahlen 3 und 4 und dadurch auch die Interferenzperiode L vergrößert.

In der mittleren Darstellung von Figur lb ist das reflektierende Element M in Richtung auf die Laserstrahlquelle 1 ebenfalls mit einem Betrag von 7 mm ausgehend von einer Mittellage in die von der Laserstrahlungsquelle 1 weg weisende Richtung translatorisch verschoben. Dadurch wird die optische Ach se des mit dem reflektierenden Element M abgelenkten Teil des Laserstrahls 2 ebenfalls von der Laserstrahlquelle 1 weg verschoben. Dies hat zur Folge, dass sich der Abstand zwischen den optischen Achsen der beiden Teilstrahlen 3 und 4 und dadurch auch die Interferenzperiode L verkleinert.

In Figur lb ganz unten ist eine Teildarstellung der Strahlengänge der beiden Teilstrahlen 3 und 4 nach dem Durchdringen des fokussierenden Elements L gezeigt. In einem Bereich oberhalb der Oberfläche des Werkstücks 9, die strukturiert werden soll, ist das Interferenzvolumen, das mit den interferie renden Teilstrahlen 3 und 4 erreicht werden kann, gezeigt.

In Figuren 1 a und b bezeichnet OA die mittlere optische Achse der erhaltenen Teilstrahlen 3 und 4.

Der erste Strahlteiler BS1 teilt den Laserstrahl 2 so, dass die Teilstrahlen 3 und 4 zumindest annähernd die gleiche Energie aufweisen.

In Figur 2 ist ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung ge zeigt. Dabei wird, wie beim Beispiel nach Figur la und b ein Laserstrahl 2 auf eine Fläche eines reflektierenden Elements M gerichtet und von dort zu dem ersten Strahlteiler BS1 reflektiert. Ein erster Teilstrahl 3 wird vom ersten Strahlteiler BS1 in Richtung einer Oberfläche eines Werkstücks 9 reflektiert. Der durch den ersten Strahlteiler BS1 transmittierte Teilstrahl 4 wird auf einen zweiten Strahlteiler BS2 gerichtet. Dabei trifft ein mit dem zweiten Strahlteiler erhaltener erster Teilstrahl 4.1 auf reflektierende Flächen eines Dach- Pentaspiegels RPM2 auf. Ein zweiter mit dem zweiten Strahlteiler BS2 erhal tener Teilstrahl 4.2 trifft auf reflektierende Flächen eines Dach-Pentaspiegels RPM2 auf. Die Teilstrahlen 4.1 und 4.2 werden mit den RPM 1 und RPM 2 in Richtung auf die zu strukturierende Oberfläche des Werkstücks 9 reflektiert.

Bis auf die Aufteilung in drei Teilstrahlen 3, 4.1 und 4.2 unterscheidet sich das Beispiel nach Figur 2 nicht vom Beispiel nach den Figuren la und b. Auch bei diesem Beispiel können Teilstrahlen 4.1 und 4.2 mit einer planparallelen Wel lenplatte (l/2-Platte) 5 definiert polarisiert werden. Im Strahlengang des ers ten Teilstrahls 3 können zwischen dem ersten Strahlteiler BS1 und dem fokus sierenden Element L reflektierende Elemente 6 angeordnet sein, die zur Weg längenkompensation der Teilstrahlen 3, 4.1 und 4.2 genutzt werden können. Die drei Teilstrahlen 3, 4.1 und 4.2 können mit dem fokussierenden optischen Element L auf die jeweilige Oberfläche gerichtet werden.

In der linken Darstellung von Figur 2 ist dieses Beispiel in einer Aufsicht ge zeigt.

Figur 3 zeigt schematisch zwei durch ein Dove-Prisma DP geführte Teilstrahlen 3 und 4. Die Teilstrahlen 3 und 4 werden dabei mehrfach gebrochen und re flektiert und dadurch in ihrer Richtung verändert. Durch eine Drehung des Dove-Prisma DP um die optische Achse OA kann eine Veränderung der Aus richtung der miteinander interferierenden Teilstrahlen 3 und 4 erreicht wer den, was wiederum neben der Interferenz mit entsprechender Interferenzpe riode L zu einer möglichen Veränderung der Ausrichtung von auszubildenden Strukturelementen auf der Oberfläche 9 führen kann. In Figur 5 sind vier verschiedene mit der Erfindung herstellbare berechnete Interferenzprofilintensitäten gezeigt, die wiederum dementsprechend aus bildbaren Strukturelementen entsprechen. Die Veränderungen können allein durch eine Veränderung der Polarisation von Teilstrahlen realisiert werden.

Mit den Pfeilen sind die dabei genutzten Polarisationsvektoren verdeutlicht. Die Polarisation kann man mit den planparallelen Wellenplatten 5 entspre chend anpassen. Die Polarisation kann mit l/2-Platten für jeden Teilstrahl individuell durchge führt werden. Figur 5a zeigt eine Situation, in der jeder Teilstrahl eine gleich artig orientierte Polarisation aufweist. Mittels Drehung der Wellenplatte kön nen weitere Polarisationszustände realisiert werden, so dass die Polarisation jedes Teilstrahles 60° (Figur 5b), 45° (Figur 5c) oder willkürlich (Figur 5d) orien tiert ist.