Lasermikrostrukturierung von Glas für präzise Mikrostrukturen

Die Lasermikrostrukturierung wird eingesetzt, um Strukturen im Mikromaßstab auf oder in Glas und optischen Substraten zu erzeugen. Zu den typischen Strukturen zählen Mikrokanäle, Mikrolinsenarrays, Beugungsgitter, Oberflächenstrukturen, Antireflexionsstrukturen und vergrabene Wellenleiter.

Bei diesem Verfahren können Pikosekunden- oder Femtosekunden-Laserimpulse zur Bearbeitung feiner Strukturen mit geringer Wärmeeinwirkung eingesetzt werden. Auf dieser Seite werden minimale laterale Strukturgrößen von bis zu 1 μm, Tiefenschritte von bis zu 0,5 μm sowie die Unterstützung für 3D- oder unter der Oberfläche liegende Strukturierungen aufgeführt.

Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen mikrofluidische Chips, photonische Wellenleiter, diffraktive optische Elemente, strukturierte optische Fenster, Sensorsubstrate und biomedizinische Glasbauteile. Wir fertigen kundenspezifische, lasermikrostrukturierte Glasbauteile auf Basis von CAD-Dateien, GDS-II-Layouts oder optischen Konstruktionsvorgaben und bieten optional Prüfungen, Beschichtungen und die Verpackung im Reinraum an.

Was ist Lasermikrostrukturierung?

Die Lasermikrostrukturierung ist ein berührungsloses Materialbearbeitungsverfahren, bei dem fokussierte ultraschnelle Laserimpulse – typischerweise mit einer Dauer im Pikosekundenbereich (10⁻¹² s) oder Femtosekundenbereich (10⁻¹⁵ s) – zum Abtragen, Glas und optische Substrate im Mikrometer- und Submikrometerbereich abzutragen, zu modifizieren oder umzustrukturieren. Im Gegensatz zu Nanosekunden- oder Dauerstrichlasern, die Energie thermisch einbringen und Schmelz- sowie Umformschichten verursachen, übertragen ultraschnelle Laser Energie schneller an das Material, als thermische Diffusion stattfinden kann – ein Prozess, der als Kaltablation bezeichnet wird. Dadurch entstehen scharf abgegrenzte Strukturen mit vernachlässigbaren Wärmeeinflusszonen, ohne Mikrorisse und ohne Umformmaterial. Durch das Abtasten des fokussierten Laserspots entlang einer programmierten 3D-Werkzeugbahn lassen sich praktisch beliebige Oberflächentopografien erzeugen: Mikrokanäle, Mikrosäulen, Beugungsgitter, Antireflexionsarrays nach dem Mottenaugenprinzip, Mikrolinsenarrays und freiformige optische Oberflächen. Das Verfahren ist vollständig softwaregesteuert und erfordert keine Masken, Formen oder chemischen Ätzmittel, wodurch es sich ideal für das Rapid Prototyping und die Präzisionsfertigung in Kleinserien eignet.

Prozessfähigkeiten

Laserquellen: Pikosekunde (1064 nm / 532 nm / 355 nm) · Femtosekunde (1030 nm / 515 nm / 343 nm)
Kleinste Strukturgröße: 1 µm (seitlich) · 0,5 µm (Tiefeninkrement)
Genauigkeit der Tiefenregelung: ±0,5 µm pro Schicht
Oberflächenrauheit (Ra) nach der Strukturierung: 50 – 200 nm (nach dem Abtragen); ≤ 10 nm (nach dem Polieren)
Wärmeeinflusszone (HAZ): < 500 nm (Femtosekunde); < 2 µm (Pikosekunde)
Maximale Strukturierungsfläche: 200 × 200 mm (Tischverfahrweg)
3D-Fähigkeit: Vollständige volumetrische Strukturierung einschließlich Modifikation des Volumens unter der Oberfläche

Kompatible Materialien

1	Quarzglas	Corning 7980 / Tosoh ES-2000
2	Quarzglas	SCHOTT Lithosil Q / Heraeus Suprasil 1
3	Borosilikatglas	PYREX 7740 / BOROFLOAT 33
4	Saphir	C-Ebene / A-Ebene
5	Optisches Glas	BK7 / N-BK7 / N-SF11
6	Glaskeramik	ZERODUR / PYROCERAM 9606
7	Silizium	Float-Zone / Czochralski
8	CaF₂	UV-beständig
9	Beschichtetes Glas	ITO / AR / dielektrisch beschichtete Substrate
10	Dünnschichtglas	0,1 – 0,5 mm, in Display-Qualität
11	Polymeroptik	PMMA / COP / COC (nur fs)

Mikrostrukturtypen

Mikrokanäle und Durchflusszellen: Geschlossene und offene Mikrofluidikkanäle mit einer Breite von 5 bis 500 µm
Diffraktive optische Elemente (DOE): Gitter, Strahlteiler und Phasenplatten mit einer Periode im Sub-µm-Bereich
AR-Arrays nach dem Vorbild des Mottenauges: Säulenanordnungen im Subwellenlängenbereich für breitbandige Antireflexion ohne Beschichtung
Mikrolinsen-Arrays (MLA): Refraktive und diffraktive Linsenarrays für die Strahlformung und die Displayoptik
Oberflächenstrukturierung: Kontrollierte Rauheit, hydrophobe/hydrophile Strukturen und tribologische Oberflächen
Modifikation des Volumendrehungsindex: Wellenleiter, Bragg-Gitter und optische 3D-Schaltungen im Glas

Typische Anwendungsbereiche

Mikrofluidik und Lab-on-Chip: Herstellung von Kanälen durch Direktbeschriftung in Quarzglas ohne Fotolithografie
Optische Wellenleiter: 3D-Schaltungen mit vergrabenen Wellenleitern aus Borosilikat und Quarzglas für photonische Bauelemente
Antireflexoberflächen: Anordnungen von Nanostrukturen im Mottenaugen-Design auf Saphir- und Quarzglasfenstern
Optik zur Strahlformung: Diffraktive optische Elemente zur Homogenisierung und Aufspaltung von Laserstrahlen
Sensorfenster: Strukturierte Oberflächen für Schutzscheiben von LiDAR-, IR- und UV-Sensoren
Biomedizinische Geräte: Mikrotiterplatten-Arrays für Zellkulturen und Muster zur biofunktionalen Modifizierung von Oberflächen

Kundenspezifische Spezifikationen

Wir nehmen Aufträge zur kundenspezifischen Lasermikrostrukturierung auf der Grundlage von kundenseitig bereitgestellten CAD-Dateien, GDS-II-Layouts oder optischen Konstruktionsspezifikationen entgegen. Sowohl die Oberflächenstrukturierung als auch die volumetrische Modifikation sind möglich, wobei die Wellenlängenauswahl auf die Absorptionseigenschaften des jeweiligen Materials optimiert wird. Zu den maßgeschneiderten Arbeitsabläufen gehören mehrstufige Tiefenprofilierung, Graustufenablation zur Erzeugung frei geformter Oberflächen sowie Hybridverfahren, bei denen Lasermikrostrukturierung mit Nassätzen kombiniert wird, um Strukturen mit hohem Seitenverhältnis zu erzielen. Dienstleistungen nach der Strukturierung – darunter konfokale Oberflächenmesstechnik, Weißlicht-Interferometrie-Prüfung, Antireflexbeschichtung und Reinraumverpackung – sind als Teil eines vollständigen Fertigungsworkflows verfügbar. Alle strukturierten Substrate werden mit vollständigen 3D-Oberflächenkarten und Maßprüfberichten geliefert.