Die optische Industrie setzt in ihren Prozessketten bisher auf mechanische Verfahren. Das könnte sich bald ändern. Digital gesteuerte Laserverfahren versprechen Zeit- und Kostenvorteile bei der Formgebung, beim Polieren und bei der abschließenden Formkorrektur von Asphären und Freiformoptiken. Entsprechende Lösungen erarbeiten Forscher am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen
Insbesondere beim Fertigen von Asphären und Freiformoptiken kommen klassische, auf mechanischer Bearbeitung basierende Prozessketten an Grenzen. Die Vision, über die Forscher heute sprechen, sind hochflexible laserbasierte Prozessketten. Laserverfahren sind schon heute im Einsatz, um individuell designte Asphären und Freiformoptiken zu fertigen. „Der zentrale Vorteil des Lasers ist seine digitale Steuerung in Verbindung mit der masse- und berührungslosen Materialbearbeitung“, erklärt Dr. Edgar Willenborg, Leiter der Gruppe Polieren am Fraunhofer ILT.
Dank der numerisch gesteuerten Prozesse ohne Formwerkzeuge seien Bearbeitungszeiten nicht mehr von der Linsenform abhängig. Gerade bei komplexen Geometrien ergeben sich daher Kostenvorteile. „Da keinerlei Verbrauchsmaterialien im Einsatz sind, minimieren Laserverfahren auch den Reinigungsaufwand“, erläutert Willenborg. Diese Flexibilität gelte es nun in die industrielle Anwendung zu bringen. Zunächst als einzelne laserbasierte Prozesse und langfristig dann als vollständig laserbasierte Optikfertigung, von der Formgebung über die Politur bis zur nanometer-genauen Formkorrektur.
Formgebung, Politur oder Formkorrektur per Laser
Basis dieser laserbasierten Prozesskette der Zukunft ist die Formgebung mithilfe von Ultrakurzpuls-Lasern (kurz UKP) oder des subtraktiven Selective Laser-induced Etchings (SLE). Daneben stehen am Fraunhofer ILT das Laserpolieren gläserner und bei Bedarf auch polymerbasierter Linsen sowie die Präzisions-Formkorrektur im Highend-Bereich auf der Agenda. Letztere hat ein Team um Emrah Uluz bereits mithilfe von CO2– und von UKP-Lasern gezeigt. Ulruz ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fraunhofer ILT-Forschungsfeld Formkorrektur von Optiken.
Auf der 1. Aachener Konferenz Laserbasierte Optikfertigung am 15. und 16. Oktober 2024 stellt das Fraunhofer ILT die laserbasierten Prozessketten der Zukunft vor.
CO2-Laser sind auch bei der Laserpolitur im Einsatz. Vier Fünftel ihrer eingekoppelten Energie werden in den obersten Glasschichten absorbiert. Die Eindringtiefen liegen zwischen 3 und maximal 30 µm. Hier schmilzt das Glas, geht in einen honigartigen Zustand über und zieht sich dann beim Erkalten infolge der Oberflächenspannung automatisch glatt.
Rauheiten im Subnanometerbereich durch Umschmelzen
Dieses Umschmelzen der Randschicht samt Oberflächenglättung durch Grenzflächenspannung führt zu sehr guten Oberflächenqualitäten: Rauheiten im Sub-Nanometerbereich setzen neue Standards und prädestinieren die Laserverfahren für Anwendungen, die höchste optische Leistungen erfordern.
Bei der Beseitigung jener Mikrorauheiten, an denen das Licht streut und Linsen trübe erscheinen lässt, ergänzen laserbasierte Verfahren bereits die mechanisch dominierten Prozessketten der Branche. „Wir arbeiten systematisch daran, dass die Optikfertigung über solche hybriden Ansätze zu rundum laserbasierten Prozessketten kommt“, erklärt Uluz. Das Spektrum reiche von Mikro- und Makrooptiken oder individuell geformten Spezialoptiken hin zu Glaskörpern, die sich per SLE auch im Innern strukturieren lassen.
Wenn die Laserbearbeitung Asphären und Freiformoptiken den Weg in die Anwendung bahnt, sinken Design- und Kostenaufwand für optische Systeme. Um das Potenzial der laserbasierte Optikfertigung zu erörtern, veranstaltet das Fraunhofer ILT erstmals die Conference on Laser-based Optics Manufacturing. Diese findet am 15. und 16. Oktober 2024 parallel zur 6th Conference on Laser Polishing Lap am Aachener Forschungsinstitut stattfinden.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Edgar Willenborg
Leiter der Gruppe Polieren
E-Mail: edgar.willenborg@ilt.fraunhofer.de
Emrah Uluz M.Sc., Gruppe Polieren
E-Mail: emrah.uluz@ilt.fraunhofer.de
