Linear in radial polarisiertes Laserlicht wandeln – das ist Aufgabe von sogenannten S-Wellenplatten. Diese passen den Laserstrahl an, bevor er Material bearbeitet, beispielsweise Löcher ausschneidet. Entsprechend präzise muss die Wellenplatte, das doppelbrechende Nanogitter, gefertigt werden. Eine 4-Achs-Servobewegungssteuerung senkt Positionsfehler und gleicht mit einem speziellen Algorithmus die Lager-Reibung des mechanischen Tisches aus.

Workshop of Photonics gilt als Spezialist für Lasertechnologielösungen. Das litauische Unternehmen führt nun neue Spezial-Wellenplatten ein, sogenannte S-Wellenplatten. Diese fein-strukturierten SpeziWellenplatten konvertieren normales, linear polarisiertes Laserlicht in eine radiale oder azimutale Polarisation. Anwender aus Industrie und Forschung profitieren von den angepassten Polarisationsstrahlen: Bearbeitungsanlagen laufen schneller und liefern dank höherer Auflösung eine bessere Qualität. S-Wellenplatten reduzieren Verzerrungen, die die Randqualität der bearbeiteten Strukturen beeinträchtigen und sind effizienter beim Bohren und Ausschneiden von Löchern mit einem hohen Aspekt-Verhältnis. Zudem passen sie den Laserstrahl an, um sicherzustellen, dass die Zerspanungseigenschaften in allen Richtungen angewandt werden, in denen der Prozess empfindlich für die Richtung der einfallenden Polarisation ist. Ein azimutal polarisierter Strahl ist vorteilhaft für Anwendungen wie optische Pinzetten und der STED-Lasermikroskopie. (Ein STED-Mikroskop ist ein Fluoreszenzmikroskop, das Strukturen mit großer Detailschärfe und einem Zugewinn an struktureller Information räumlich dargestellt.) Die S-Wellenplatte kann auch bei der Erzeugung von optischen Hochleistungswirbeln eingesetzt werden.

Das Herstellungsverfahren machts

Workshop of Photonics hat sich die neuen Wellenplatten patentieren lassen. Hergestellt werden sie durch laserinduzierte, doppelbrechende Nanogitter in einem losen Quarzglas-Substrat unter Verwendung des eigenen FemtoLab-Laserlaborsystems von Workshop of Photonic. Bei dem Prozess kommt eine Nanostrukturierungstechnik zur Anwendung, die ein Team am Optoelectronics Research Centre der Universität Southampton unter Leitung von Prof. Peter Kazansky entwickelt hat.
Im Gegensatz zu anders hergestellten Wellenplatten, die verklebte Bauteile aufweisen, hat die einteilige Struktur Vorteile: Sie weist eine hohe Zerstörschwelle auf, eine bessere Hitzebeständigkeit und eine hohen Polarisationswandlungseffizienz. Da weder Polieren, Schleifen noch Fräsen erforderlich ist, ist der Prozess sehr flexibel: Gerätespezifikationen und Substratabmessungen lassen sich durch einfache Änderungen der FrontEnd-Programmparameter ohne hohe Entwicklungskosten anpassen.

Basis: 4-Achs-Servobewegungssteuerung

Die induzierte Nanogitter-Doppelbrechung wird je nach der erforderlichen Wellenlänge und freien Apertur sorgfältig mit Wiederholtoleranzen im untersten Submikrometerbereich ausgewählt. Im Zuge der Fähigkeit des FemtoLab, eine Wellenplatte mit guter Qualität bei hoher Durchsatzleistung herzustellen, kombiniert Workshop of Photonics seine SCA (System Control Application)-Laser-Mikrobearbeitungs-FrontEnd-Software mit einer auf Aerotech Automation A3200 basierenden 4-Achs-Servobewegungssteuerung. Diese reduziert mit der Enhanced Tracking Control (ETC)-Funktion Schleppfehler und verbessert die Move‐and‐Settle-Zeiten bei der Punkt‐zu‐Punkt-Positionierung. Der ETC-Algorithmus arbeitet parallel zur herkömmlichen PID-Regelung der A3200-Steuerungsarchitektur. So erhöht sich die Widerstandsfähigkeit des Servomechanismus gegenüber Störungen, die andernfalls zu Positionsfehlern führen würden. Die Hauptstörquelle ist die Lager-Reibung der vielen Wälzkörper des mechanischen Tisches. Dazu kommen ständig ändernde Schwankungen bei Vorspannungen und Schmierständen.

Problem der Richtungsumkehrung

Dadurch kommt es zu einer hysteretischen Beziehung zwischen der angelegten Kraft und dem resultierenden Verfahrweg, bei dem die Mechanik sich nicht soweit bewegt, wie es die lineare Servo-Theorie vorhersagt – ein Effekt, der vor allem bei Richtungsumkehrungen auftritt. Dies führt zu einer langen Flanke in der Einschwingzeit, während die Steuerung versucht, den Tisch in Position zu bringen – und erhöht somit die Zeit, die jede Achse und damit das ganze System dafür benötigt, die Position zu erreichen. ETC erhöht die Niedrigfrequenzverstärkung des Servomechanismus und reduziert diese Flanke, indem sie das dynamische Verhalten des Systems an das eines idealen, reibungslosen Systems annähert.
Bei der S-Wellenplatten-Anwendung, bei der die konturierte Spirale mittels einer Kombination aus Aerotech ANT130 XYZ- und ANT130-Dreh-Tisch erzeugt wird, wird der Schleppfehler minimiert. Der Peak-Schleppfehler beispielsweise kann um das Vierfache verbessert werden, wenn der ETC-Algorithmus auf komplexe Konturen, wie sie bei dieser Anwendung vorliegen, angewandt wird.

Aufbau des FemtoLab-Laserlabors

Workshop of Photonics verwendet bei seinem FemtoLab-Laserlabor standardmäßig Aerotech Automation A3200-Bewegungssteuerungssysteme mit Nanopositioniertischen mit Linearmotorantrieb der Serie ANT130. Das Laser-Bearbeitungssystem umfasst eine Bildverarbeitung, Strahlformungsoptiken und einen Galvo-Scankopf, um Anwendern die Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit und die Positionierung über große Bereiche gepaart mit Auflösung im Nanometerbereich und Genauigkeit im Submikrometerbereich bieten zu können. Während sich die interne Nutzung auf die Herstellung der S-Wellenplatte konzentriert, werden das FemtoLab und eine einfachere Bausatz-Version sowohl an Forscher als auch an industrielle Anwender vertrieben, gleichermaßen im Entwicklungsbereich sowie für einen hohen Produktionsdurchsatz aller denkbaren Oberflächen- oder 3D-Mikro-Nano-Strukturen, unter anderem für MEMS-Sensoren und der Herstellung von optischen Mikro-Elementen bis hin zur Reparatur von Mikrochips und Zweiphotonen-Fluoreszenzmikroskopen.

Jedes System entsteht in Zusammenarbeit

Die direkt angetriebenen Linear- beziehungsweise Linear-/Rotationstischsysteme auf Basis der ANT130-Serie werden als XYZ oder XYZØ mit kundenspezifischem Verfahrweg konfiguriert. Geliefert werden sie mit einer Granitbrückenträgerstruktur und einer pneumatisch ausgleichenden Vertikalachse. Dank der engen Zusammenarbeit mit Workshop of Photonics bezüglich jeder Anwendung garantiert Aerotech für die Mechanik und das Bewegungssteuerungssystem eine nanometergenaue Performance. Die A3200-Steuerung berücksichtigt darüber hinaus kritische Bewegungsanforderungen, wie den Position Synchronised Output (PSO)-Befehl, der eine genaue Synchronisation zwischen dem Positionierungssystem und der Zündfolge des Lasers gewährleistet.
Die FemtoLab-Galvo-Scanner werden unter Verwendung von Aerotechs Nmark SSaM (Synchronisiertes Scanner- und Bewegungsmodul) ebenfalls in die Bewegungssteuerung A3200 integriert. Damit können großformatige Bitmaps kontinuierlich verarbeitet werden, was durch eine Ausweitung der Synchronisierung im Submikrometerbereich mit den ANT130-Tischen auch die Laser-Mikrobearbeitung von Strukturen und Mustern ermöglicht, die außerhalb des normalen Sichtfeldes eines Galvo-Scanners liegen.
Die ETC-Funktion verbessert zudem die Leistung der bei Hochgeschwindigkeits-Lasergalvanometer eingesetzten Leichtbauspiegel, die trotz der Verwendung von hochwertigen Lagern empfindlich auch schon gegenüber geringen Störeffekten durch nichtlineares Reibungsverhalten sind, was die Positioniergenauigkeit bei Präzisionsanwendungen verschlechtert. Wenn der ETC-Algorithmus aktiviert ist, werden Positionsfehler korrigiert und letztendlich die Teilequalität verbessert.