DE102006011964A1

DE102006011964A1 - Processing of an optical element, useful in terahertz wavelength range, comprises machining and/or abrasive ultra-precision processing of the optical element to form recesses into the surface

Info

Publication number: DE102006011964A1
Application number: DE200610011964
Authority: DE
Inventors: Claudia Dipl.-Ing. Brückner; Stefan Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. Riehemann; Gunther Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. Notni
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-09-20

Abstract

Bei der Herstellung von optischen Elementen für den Einsatz im Terahertz-Wellen-Gebiet wird zur Optimierung der Transmission im Bereich optischer Grenzflächen die Ultrapräzisionsbearbeitungsmethode angewendet, um antireflektierende Oberflächen zu schaffen. Es können damit Strukturperioden zwischen 12 µm und 1000 µm und Strukturtiefen zwischen 30 µm und 3000 µm erzielt werden.In the manufacture of optical elements for use in the terahertz wave range, the ultra-precision machining method is used to optimize the transmission in the area of optical interfaces in order to create anti-reflective surfaces. Structure periods between 12 µm and 1000 µm and structure depths between 30 µm and 3000 µm can be achieved.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf optische Elemente, die zum Einsatz im Terahertz-Wellengebiet vorgesehen sind. Als Terahertzwellen werden in der Hochfrequenztechnik elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz oberhalb von 100 Gigahertz bezeichnet. Solche Wellen können beispielsweise für die Kommunikationstechnik, jedoch auch für Spektroskopie sowie Durchleuchtungsverfahren verwendet werden. Terahertzstrahlung wird beispielsweise durch Wasser und verschiedene Metalle absorbiert, so dass es zu deren Erwärmung verwendet werden kann, ohne dass eine Ionisierung erfolgt, da die Energie der Terahertzstrahlung im Millivoltbereich liegt. Die Terahertzstrahlung ist zwischen dem Infrarotstrahlungs- und dem Mikrowellenbereich einzuordnen. Sie ist als Schwarzkörperstrahlung verfügbar, kann jedoch auch mittels Quantenkaskadenlaser hergestellt werden, wobei auch ultrakurze Terahertzpulse erzeugt werden können. Terahertzwellen können wie alle elektromagnetischen Wellen bestimmten abbildungsoptischen Mechanismen unterworfen werden. Dabei sind alle Arten von optischen Elementen denkbar, die auch aus dem für das menschliche Auge sichtbaren optischen Lichtbereich bekannt sind, wie Reflektoren, Refraktoren, Linsen usw.The The invention relates to optical elements for use in Terahertz wave area are provided. Become as terahertz waves in high-frequency engineering electromagnetic waves with a frequency above 100 gigahertz. Such waves can, for example for the Communication technology, but also for spectroscopy and fluoroscopy be used. Terahertz radiation is caused, for example, by water and absorbs various metals so that it is used for heating them can be without ionization, because the energy the terahertz radiation is in the millivolt range. The terahertz radiation is to be classified between the infrared radiation and the microwave range. It is as blackbody radiation available, can However, also be prepared by means of quantum cascade laser, wherein ultrashort terahertz pulses can also be generated. Terahertz waves can be like all electromagnetic waves determined imaging optical mechanisms be subjected. There are all kinds of optical elements conceivable, which also from the for the human eye visible optical light area are known like reflectors, refractors, lenses etc.

Wie bei allen abbildungsoptischen Systemen kommt es auch bei optischen Elementen für die Terahertzwellentechnik durch die Unstetigkeit der Brechzahl an Grenzflächen zu so genannten fresnelschen Transmissionsverlusten. Es wird versucht, diese Verluste durch Entspiegelungsmaßnahmen so gering wie möglich zu halten. Hierzu können Übergangsschichten vorgesehen werden, die einen stetigeren Übergang der Brechzahl beispielsweise von Luft zu dem Material des abbildenden Elements schaffen. Es sind zu diesem Zweck auch Gradientenindexschichten bekannt. Auch Oberflächenstrukturen in Form von Gittern sind bekannt, wobei die Gitterkonstante so gewählt werden muss, dass das Gitter von der jeweils infrage kommenden Strahlung mit ihrer typischen Wellenlänge nicht aufgelöst werden kann.As in all imaging optical systems, it also comes in optical Elements for the terahertz wave technique by the discontinuity of the refractive index at interfaces to so-called Fresnel transmission losses. It's being attempted, to keep these losses as low as possible by means of anti-reflection measures. For this purpose, transition layers be provided, for example, a more gradual transition of the refractive index from air to the material of the imaging element. There are Gradient index layers are also known for this purpose. Also surface structures in the form of gratings are known, the lattice constants are chosen so that must be the grid of the radiation in question with their typical wavelength not resolved can be.

Grundsätzlich ist es bekannt, bei Anzeigeeinheiten verschiedenster Art, wie Bildschirmen, Hinweistafeln oder Anzeigeinstrumenten, die mit Folien oder Scheiben abgedeckt sind, die Lichtreflexion herabzusetzen, um einen besseren Kontrast der Anzeige durch Entspiegelung zu erreichen. Dadurch steigt die Erkennbarkeit der Anzeige. Oft wird dies durch eine Aufrauung der Oberfläche des Displays realisiert, die dafür sorgt, dass einfallende Strahlung diffus gestreut und die direkte Reflexion von einfallender Strahlung verhindert wird. Diese Aufrauung der Oberfläche führt jedoch gleichzeitig zu einer Streuung an dem anzuzeigenden Bild, so dass die Erkennbarkeit der Anzeige nicht unbedingt verbessert wird.Basically it is known, in display units of various kinds, such as screens, Signs or gauges with slides or discs are covered, reduce the light reflection to a better Contrast the display to achieve by anti-reflection. This increases the recognizability of the ad. Often this is due to a roughening the surface the display realizes that Ensures that incoming radiation is diffused and direct Reflection of incident radiation is prevented. This roughening the surface leads however at the same time to a scatter on the image to be displayed, so that the visibility of the ad is not necessarily improved.

In anderen Anwendungen muss eine Reflexion von Strahlung herabgesetzt werden, um beispielsweise den Energieeintrag durch einfallende Strahlung zu erhöhen, wie z.B. bei galvanischen Solarzellen bzw. optischen Elementen zur Konzentration oder Fokussierung von Licht im Zusammenhang mit derartigen Solarzellen.In In other applications, a reflection of radiation must be reduced be, for example, the energy input by incident radiation to increase, such as. in galvanic solar cells or optical elements for Concentration or focusing of light in connection with such Solar cells.

Auch bei Datenübertragungssystemen ist es notwendig, dass zur Erreichung möglichst langer Reichweiten an Grenzflächen, beispielsweise bei Lichtwellenleitern die Reflexionsverluste möglichst gering gehalten werden.Also in data transmission systems It is necessary to achieve the longest possible ranges at interfaces, For example, in optical waveguides, the reflection losses as possible be kept low.

Zur Schaffung von Brechungsindexübergängen ist es beispielsweise bekannt, Festkörpermaterialien mit Gasen zu mischen, so dass fein verteilte Blasenstrukturen entstehen, die von der entsprechenden Strahlung wegen deren Wellenlänge nicht aufgelöst werden, die jedoch dazu führen, dass die Strahlung einem Brechungsindex ausgesetzt ist, der sich als Mischung bzw. gewichteter Mittelwert der Brechungsindizes des Festkörpermaterials und des entsprechenden Gases, je nach der Mengenverteilung, ergibt. Dies ist beispielsweise in dem Fachartikel von Gombart, Rommel: "Breitbandige Antireflexbeschichtungen", Forschungsverbund Sonnenenergie, Themen 97/98, Solare Gebäudetechniken (1998), 81–86 beschrieben.to Creation of refractive index transitions For example, it is known to use solid state materials Mix gases to form finely dispersed bubble structures that of the corresponding radiation because of their wavelength not disbanded which, however, lead to that the radiation is exposed to a refractive index that is as a mixture or weighted average of the refractive indices of the Solid material and the corresponding gas, depending on the quantity distribution results. This is, for example, in the article by Gombart, Rommel: "Broadband Antireflective Coatings", Forschungsverbund Solar Energy, Subjects 97/98, Solar Building Technologies (1998), 81-86.

Zu demselben Zweck werden gemäß der genannten Literaturstelle auch poröse Sol-Gelschichten hergestellt.To The same purpose shall be pursued in accordance with the said Reference also porous Sol-gel layers produced.

Weiterhin ist die Herstellung von Gitterstrukturen an Oberflächen optischer Elemente durch holografische Belichtung von fotoempfindlichen Schichten bekannt, wobei durch verschiedene sich kreuzende Lichtstrahlen auch gitterförmige Strukturen erzeugt werden und mittels Ätzverfahren fixiert werden können.Farther is the production of lattice structures on surfaces optical Elements by holographic exposure of photosensitive layers known, wherein by different intersecting light rays as well latticed Structures are generated and fixed by means of etching can.

Auch das einfache Einprägen von Gitterstrukturen in die Oberflächen von optischen Elementen ist bekannt.Also the simple memorizing of lattice structures in the surfaces of optical elements is known.

Letztlich können unregelmäßig geformte Oberflächen mit Ausnehmungen auch durch gezielte Zerstörung bzw. Auflösung von Oberflächen mittels Sputtern hergestellt werden.Finally, irregularly shaped surfaces with recesses can also by targeted Zerstö tion or dissolution of surfaces are produced by sputtering.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bearbeitung eines optischen Elements, das zur Verwendung im Terahertzwellenbereich vorgesehen ist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs zum Prägen der Oberflächen eines für das Terahertzwellengebiet vorgesehenen optischen Elements, auf die Verwendung einer Bearbeitungsmaschine der Ultrapräzisionsbearbeitung sowie auf ein optisches Element zur Verwendung im Terahertzwellengebiet.The The invention relates to a method for processing an optical Elements intended for use in the terahertz range is, as well as a method for producing a tool for Shape the surfaces one for the terahertz wave region provided optical element, to use a processing machine of ultra-precision machining and on an optical element for use in the terahertz field.

Für ein derartiges optisches Element, das im Terahertzwellengebiet eingesetzt werden soll, soll die Herstellung von Antireflexionsschichten bzw. die Verringerung der Reflektivität ermöglicht werden.For such a optical element used in the terahertz field should, the production of anti-reflection layers or the Reduction of reflectivity allows become.

Die oben beschriebenen Verfahren zur Bearbeitung von Oberflächen von optischen Elementen haben gemeinsam, dass sie nicht ohne weiteres für optische Elemente anwendbar sind, die für den Einsatz im Terahertzwellengebiet vorgesehen sind. Für die Verwendung von derartigen optischen Elementen müssen die Oberflächenstrukturen in Bezug auf die infrage kommenden Wellenlängen bestimmte Forderungen erfüllen. So sind folgende Strukturparameter nötig, um den gesamten Terahertz-Bereich zu entspiegeln. Die geringste Strukturperiode wird von der kleinsten Wellenlänge vorgegeben und beträgt maximal 10 μm. Die maximale Tiefe der Struktur wird von der größten Wellenlänge des Spektrums vorgegeben und liegt im Bereich von 1 mm. Das erforderliche Aspektverhältnis von Strukturtiefe zu -periode zur Entspiegelung des gesamten Terahertz-Bereiches von ca. 100 ist jedoch mechanisch instabil und nicht herstellbar. Auf jeden Fall muss eine Optimierung der Strukturparameter für den zu entspiegelnden Wellenlängenbereich erfolgen.The method for processing surfaces of optical elements have in common that they are not readily available for optical Elements are applicable for the use in the terahertz wave area are provided. For the use of such optical elements, the surface structures certain requirements in relation to the wavelengths in question fulfill. So the following structural parameters are needed to cover the entire terahertz range to anti-reflective. The least structural period is from the smallest wavelength predetermined and amounts maximum 10 μm. The maximum depth of the structure is determined by the largest wavelength of the Spectrum specified and is in the range of 1 mm. The required aspect ratio from structure depth to period for antireflecting the entire terahertz range of approx. However, 100 is mechanically unstable and can not be produced. In any Case, an optimization of the structure parameters for the anti-reflective wavelength range respectively.

Aus den genannten Größenordnungen wird ersichtlich, dass die Oberflächenstrukturen eine sehr große Tiefe bei sehr feiner lateraler Auflösung aufweisen müssen mit der Folge einer hohen Labilität der Strukturen. Derartigen Strukturen lassen sich also mit den bekannten Bearbeitungsverfahren wie fotochemischen Verfahren, Sputtern sowie Einbringen von Gasblasen in die Oberfläche eines optischen Elements praktisch nicht erzeugen.Out the mentioned orders of magnitude it can be seen that the surface structures have a very large depth at very fine lateral resolution must have with the consequence of a high lability of the structures. such a Structures can therefore be with the known processing methods such as photochemical processes, sputtering and introduction of gas bubbles in the surface practically do not produce an optical element.

Der Erfindung liegt jedoch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements zur Verwendung im Terahertzwellengebiet sowie ein entsprechendes optisches Element zu schaffen, wobei optimierte Antireflexionsschichten ermöglicht werden.Of the However, the invention is based on the object, a process for the preparation an optical element for use in the terahertz field and to provide a corresponding optical element, wherein optimized Antireflection layers allows become.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch Verfahren gemäß den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5 sowie durch optische Elemente gemäß den Ansprüchen 6, 7 gelöst.The Task is according to the invention by methods according to claims 1, 2, 3, 4 and 5 and by optical elements according to claims 6, 7 solved.

Die erfindungsgemäßen Verfahren sowie die optischen Elemente haben gemeinsam, dass zu ihrer Herstellung die so genannte Ultrapräzisionsbearbeitung eingesetzt wird. Die Ultrapräzisionsbearbeitung stellt ein Bearbeitungsverfahren dar, mit dem die für den Terahertz-Bereich erforderlichen Strukturdimensionen generiert werden können. Die erreichbare Strukturtiefe richtet sich nach dem verwendeten Diamantwerkzeug. Aspektverhältnisse bis 3 sind möglich. Beispiele für herstellbare Parameter sind: Strukturperiode: Strukturtiefe: Λ = 15 μm d = 30 μm Λ = 60 μm d = 200 μm Λ = 150 μm d = 100 μm Λ = 300 μm d = 200 μm Λ = 1 mm d = 1 mm The inventive method and the optical elements have in common that the so-called ultra-precision machining is used for their production. The ultra-precision machining represents a machining method with which the structural dimensions required for the terahertz range can be generated. The achievable structure depth depends on the diamond tool used. Aspect ratios up to 3 are possible. Examples of manufacturable parameters are: Structure Period: Structure depth: Λ = 15 μm d = 30 μm Λ = 60 μm d = 200 μm Λ = 150 μm d = 100 μm Λ = 300 μm d = 200 μm Λ = 1 mm d = 1 mm

Durch diese Bearbeitungsmethode kann also im Gegensatz zu den übrigen aus dem Stand der Technik für andere Wellenlängenbereiche bekannten Bearbeitungsmethoden die geforderte laterale Strukturperiode von wenigen 10 μm bis wenigen 100 μm bei der gleichzeitig geforderten hohen Strukturtiefe im Bereich von 100 μm bis einigen 100 μm, maximal 1 bis 2 mm erreicht werden, wobei das Aspektverhältnis vom jeweils verwendeten Diamantwerkzeug vorgegeben ist. Diese Strukturparameter können mit anderen Bearbeitungsverfahren nicht bzw. nur mit wesentlich höherem zeitlichen und prozesstechnischem Aufwand erreicht werden. Beispielsweise kann die erforderliche Strukturtiefe mit Sputtern nicht erreicht werden. Bei Ätzverfahren kommt es für die erforderliche Strukturtiefe zu sehr langen Prozesszeiten, wobei die Struktur nicht direkt in das Linsenmaterial eingebracht werden kann. Bei der holografischen Belichtung kann die erforderliche Strukturperiode nicht realisiert werden. Der Hauptvorteil der Ultrapräzisionsbearbeitung ist dabei, dass gerade die im THz-Bereich häufig als Linsenmaterial verwendeten Kunststoffe sehr gut mittels UP bearbeitbar sind und die Strukturen direkt in das Material eingebracht werden können.By This processing method can therefore be unlike the rest the state of the art for other wavelength ranges known processing methods the required lateral structure period of a few 10 microns to a few 100 μm at the same time required high structural depth in the area of 100 μm up to a few 100 μm, maximum 1 to 2 mm can be achieved, the aspect ratio of each diamond tool used is specified. These structural parameters can with other processing methods not or only with essential higher time and process technical effort can be achieved. For example can not reach the required texture depth with sputtering become. For etching it comes for the required structure depth at very long process times, the structure is not introduced directly into the lens material can. In the holographic exposure, the required structure period not realized. The main advantage of ultra-precision machining is that just those in the THz range often used as lens material Plastics are very well workable by means of UP and the structures can be introduced directly into the material.

Die Ultrapräzisionsbearbeitung ist eine bekannte Methode der Fertigungstechnik, mit der höchst genaue Werkstücke aus Nichteisenmetallen, Kunststoffen oder aus Halbleiterwerkstoffen, wie z.B. Silizium- und Germanium-Einkristallen hergestellt werden können. Dabei liegt die erreichbare Formgenauigkeit im Submikrometerbereich, wobei eine Oberflächenrauigkeit im Nanometerbereich erreicht werden kann. Damit können hoch genau Oberflächen hergestellt werden, die eine optisch gute Qualität aufweisen und entsprechend als reflektierende Oberflächen verwendet werden können.The Ultra-precision machining is a well-known method of manufacturing technology, with the most accurate workpieces non-ferrous metals, plastics or semiconductor materials, such as. Silicon and germanium single crystals are produced can. The achievable accuracy of form lies in the submicron range, where a surface roughness can be achieved in the nanometer range. This can be high exactly surfaces are produced, which have a visually good quality and accordingly as reflective surfaces can be used.

Zur Erreichung der beschriebenen Genauigkeit müssen an die Werkzeugmaschine, das Werkzeug und die Umgebung hinsichtlich der Genauigkeit bzw. Temperaturstabilität sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Beispielsweise ist es bekannt, derartige Maschinen auf schweren Fundamenten zu lagern, die ihrerseits luftgefedert gelagert sind. Dadurch werden auch kleinste Erschütterungen in der Umgebung von der Maschine ferngehalten. Auch die Zustellbewegungen der Maschine müssen entsprechend genau steuerbar sein. Hierzu wird bei bekannten Maschinen beispielsweise eine interferometrische Steuerung verwendet. Die Einspannung der Werkstücke wird vorteilhaft durch Vakuumspannfutter erreicht, um mechanische Spannungen möglichst gering zu halten. Als Werkzeuge kommen monokristalline Diamanten zum Einsatz, deren Schneide mit einer Formge nauigkeit von 0,05 μm und besser angegeben wird. Entsprechende Werkzeuge können bei spanender Bearbeitung in CNC-Drehbänken oder in Fräsmaschinen der oben genannten Art eingesetzt werden.to Achieving the described accuracy must be to the machine tool, the tool and the environment in terms of accuracy or temperature stability very high demands are made. For example, it is known To store such machines on heavy foundations, which in turn are mounted air-sprung. As a result, even the smallest shocks kept away from the machine in the area. Also the delivery movements of the machine be exactly controllable accordingly. This is done in known machines For example, an interferometric control is used. The Clamping of the workpieces is advantageously achieved by vacuum chuck to mechanical Tension as possible to keep low. The tools are monocrystalline diamonds used, whose cutting edge with a Formge accuracy of 0.05 microns and better is specified. Corresponding tools can be used during machining in CNC lathes or in milling machines of the type mentioned above.

Das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren kann sich auf optische Elemente wie beispielsweise sphärische oder asphärische Linsen, Spiegel, Hohlspiegel oder dergleichen beziehen, die im Terahertzwellenbereich eingesetzt werden und es können entweder direkt in das optische Element oder in ein zum Prägen oder Abformen des optischen Elements später zu benutzendes Werkzeug die entsprechenden geometrischen Strukturen eingebracht werden. Beispielsweise kann das zu bearbeitende optische Element bei einem Bearbeitungsradius von 300 mm in eine CNC-Drehbank zur Ultrapräzisionsbearbeitung eingespannt werden und es können dann entsprechende sinusförmigen Strukturen durch spanende Bearbeitung auf der Oberfläche erzeugt werden. Darauf kann das Drehstück um 90° verdreht eingespannt werden, um sinusoidale Strukturen zu erzeugen, die senkrecht auf dem zunächst erzeugten stehen, so dass insgesamt eine Gitterstruktur auf der Oberfläche des optischen Elements entsteht. Es können durch Drehen auch sägezahnförmige Strukturen eingebracht werden, wobei durch mehrere senkrecht aufeinander stehende periodische Strukturen im Ergebnis eine pyramidale Struktur (d.h., regelmäßig auf der Oberfläche angeordnete vierseitige Pyramiden), entsteht.The inventive processing method can affect optical elements such as spherical or aspherical Lenses, mirrors, concave mirrors or the like, in the terahertz wave range be used and it can either directly in the optical element or in an embossing or Molding the optical element later to be used tool the corresponding geometric structures are introduced. For example, the optical element to be processed in a Machining radius of 300 mm in a CNC lathe for ultra-precision machining be clamped and it can then corresponding sinusoidal Structures produced by machining on the surface become. Then the turning piece rotated by 90 ° be clamped to produce sinusoidal structures that are perpendicular on the first produced, so that a total of a lattice structure on the surface of the optical element arises. It can also rotate by sawtooth structures be introduced, wherein by several perpendicular to each other periodic structures result in a pyramidal structure (i.e. regularly on the surface arranged four-sided pyramids) arises.

Durch die beschriebenen Strukturen, die regelmäßig periodisch oder unregelmäßig erzeugt werden können, wobei die typischen Maße der Erhebungen bzw. Ausnehmungen im Bereich von wenigen μm bis wenigen 10 μm lateral liegen, und wobei die Tiefe der Ausnehmungen typischerweise zwischen wenigen 10 und wenigen 100 μm liegt, führen dazu, dass diese Unebenheiten durch Strahlung im Terahertzbereich nicht aufgelöst werden, da die Wellenlängen der Terahertzwellen oberhalb der Größenordnung der Unregelmäßigkeiten liegt. Dadurch wirkt die Oberfläche des optischen Elements auf die Terahertzstrahlung wie eine Fläche mit verdünnten optischen Eigenschaften, d.h. der sich einstellende effektive Brechungsindex im Terahertz-Wellenlängenbereich errechnet sich als Mittelwert zwischen demjenigen des umgebenden gasförmigen Mediums, beispielsweise Luft, und dem des bearbeiteten Festkörpers. Maßgebend ist dabei die effektive Dichte des Festkörpers unter Berücksichtigung der Ausnehmungen. Im Ergebnis stellt sich ein Brechungsindex ein, der einen guten optischen Übergang mit geringer Reflexion und entsprechend geringen Reflexionsverlusten ermöglicht. Dabei kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Dichte der Ausnehmungen sich, ausgehend von der Oberfläche des optischen Elementes, in dessen Inneres hinein verringert, indem die Ausnehmungen beispielsweise konisch zulaufen. Auch das Einbringen einer Sägezahnstruktur entspricht effektiv in dem genannten Sinne einer zunehmenden Dichte des Werkstoffs in das Innere des optischen Elements hinein.By the structures described, which generates regular periodically or irregularly can be being the typical dimensions the elevations or recesses in the range of a few microns to a few 10 μm lateral lie, and wherein the depth of the recesses typically between a few 10 and a few 100 μm, to lead to that these bumps by radiation in the terahertz range not resolved be, since the wavelengths the terahertz waves above the magnitude of the irregularities lies. This affects the surface the optical element to the terahertz radiation as a surface with thinned optical Properties, i. the resulting effective refractive index in the terahertz wavelength range is calculated as the mean value between that of the surrounding gaseous Medium, for example air, and that of the processed solid. authoritative is the effective density of the solid under consideration the recesses. The result is a refractive index, a good optical transition with low reflection and correspondingly low reflection losses allows. there can additionally be provided that the density of the recesses, starting from the surface of the optical element into which interior is reduced by the recesses, for example, taper. Also the introduction a sawtooth structure effectively corresponds to an increasing density in the sense mentioned of the material into the interior of the optical element.

Wird die beschriebene Ultrapräzisionsbearbeitung zur Herstellung eines Werkzeugs benutzt, so kann dies entweder unmittelbar in der beschriebenen Weise durch spanende oder abtragende Bearbeitung hergestellt werden, wobei die hergestellte Form einer Negativabbildung der Oberfläche des herzustellenden optischen Elements entspricht, oder es wird mittels Ultrapräzisionsbearbeitung zunächst eine Oberfläche bearbeitet, die dann mittels eines Formgebungsverfahrens, beispielsweise durch Prägen, Abgießen oder galvanisches Abformen auf ein Werkzeug übertragen wird.Becomes the described ultra-precision machining used to make a tool, this can either be immediate in the manner described by machining or abrasive machining produced, the produced form of a negative image the surface corresponds to the optical element to be produced, or it is by means of ultra-precision machining first a surface edited, which then by means of a shaping process, for example by embossing, pour off or galvanic molding is transferred to a tool.

Beim galvanischen Abformen kann beispielsweise zunächst eine elektrisch leitende Startschicht auf die mittels Ultrapräzisionsbearbeitung hergestellte Oberfläche aufgebracht und diese galvanisch durch Aufbringen einer Nickelschicht verstärkt werden, bevor der so entstandene Metallkörper abgenommen und weiter verarbeitet wird.At the galvanic molding, for example, first an electrically conductive Starting layer on the produced by ultra-precision machining surface applied and this galvanically by applying a nickel layer reinforced be removed before the resulting metal body and further processed becomes.

Das entsprechende Werkzeug kann dann als Prägewerkzeug, beispielsweise auch zum Walzenprägen oder als Gusswerkzeug beispielsweise in einem Spritzgießprozess weiter verwendet werden.The appropriate tool can then as a stamping tool, for example also for roll embossing or as a casting tool, for example in an injection molding process continue to be used.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend beschrieben. Dabei zeigt:in the The invention will be described below with reference to an exemplary embodiment in a drawing shown and described below. Showing:

1 eine dreidimensionale Darstellung einer Oberflächenstruktur eines optischen Elements, 1 a three-dimensional representation of a surface structure of an optical element,

2 eine zweidimensionale Darstellung der Struktur aus 1, 2 a two-dimensional representation of the structure 1 .

3 eine dreidimensionale Pyramidenstruktur einer Oberfläche, 3 a three-dimensional pyramidal structure of a surface,

4 die Transmission an einer optischen Grenzfläche in Abhängigkeit von der Frequenz der eingestrahlten Wellen, 4 the transmission at an optical interface as a function of the frequency of the radiated waves,

5 den Reflexionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Tiefe der dreidimensionalen Struktur an einer optischen Grenzfläche, und 5 the reflection coefficient as a function of the depth of the three-dimensional structure at an optical interface, and

6 den Reflexionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Frequenz einer eingestrahlten Welle. 6 the reflection coefficient as a function of the frequency of an incident wave.

1 zeigt eine strukturierte Oberfläche eines optischen Elements, die eine sinuswellenförmige Gestaltung mit geradlinigen Wellenfronten aufweist. Die Form der entsprechenden Sinuswelle ist im Querschnitt in der 2 dargestellt. Die negativen Bäuche der Welle stellen die Ausnehmungen im Sinne der Erfindung dar. Eine derartige Struktur kann entweder auf der Oberfläche eines optisches Elements, beispielsweise einer sphärischen oder asphärischen Linse aufgebracht sein oder auf der Oberfläche eines entsprechenden Prägewerkzeugs, mit dem die Oberflächen von optischen Elementen abgeformt werden sollen. In dem dargestellten Beispiel hat die Struktur eine Höhe von ca. 30 μm, d.h. die Ausnehmungen in der Oberfläche haben eine Tiefe von 30 μm. Die Strukturperiode liegt bei 15 μm. Die entsprechende Struktur kann beispielsweise durch Fräsen mittels Ultrapräzisionsbearbeitung eingebracht sein. Eine ähnliche Struktur mit leicht gekrümmten Sinuswellenfronten ist beispielsweise auch beim Drehen mit einem größeren Bearbeitungsdurchmesser zu erzeugen. 1 shows a structured surface of an optical element having a sine wave-shaped design with rectilinear wavefronts. The shape of the corresponding sine wave is in cross section in the 2 shown. The negative bellies of the shaft represent the recesses in the sense of the invention. Such a structure can be applied either on the surface of an optical element, for example a spherical or aspherical lens, or on the surface of a corresponding embossing tool with which the surfaces of optical elements are shaped should be. In the illustrated example, the structure has a height of about 30 microns, ie, the recesses in the surface have a depth of 30 microns. The structure period is 15 μm. The corresponding structure can be introduced, for example, by milling by means of ultra-precision machining. A similar structure with slightly curved sine wave fronts can also be produced, for example, when turning with a larger machining diameter.

Grundsätzlich kann eine weitere ähnliche Struktur auch senkrecht zu der ersten Struktur in dieselbe Oberfläche eingebracht werden, um eine Gitterstruktur zu erzeugen. Zu diesem Zweck kann eine Fräs- oder Drehbearbeitung senkrecht zu der ersten Bearbeitung erfolgen.Basically another similar Structure also introduced perpendicular to the first structure in the same surface to create a grid structure. For this purpose can a milling or turning perpendicular to the first processing done.

Als Materialien für das optische Element zur Bearbeitung kommen die üblichen Materialien für optische Elemente im Terahertzwellenbereich infrage, beispiels weise entsprechend transparente Kunststoffe. Grundsätzlich können auch härtere Materialien mit den Diamantwerkzeugen der Ultrapräzsionsbearbeitung gestaltet werden.When Materials for the optical element for processing come the usual materials for optical Elements in the terahertz wave range in question, example, according to transparent plastics. in principle can also harder Materials designed with the diamond tools of ultra-precision machining become.

Die Tiefe der Struktur kann bei relativ kurzwelligen Terahertzwellen wenige 10 μm betragen, vorteilhaft ist, wenn ein größerer Wellenlängenbereich zugelassen werden soll, eine Tiefe größer als 200 μm, besonders vorteilhaft eine Tiefe größer als 300 μm.The Depth of the structure may be at relatively short wavelength terahertz waves a few 10 μm amount is advantageous if a larger wavelength range should be allowed, a depth greater than 200 microns, particularly advantageous a depth greater than 300 μm.

Dabei sollte die Strukturperiode zwischen 12 und 1000 μm liegen, vorteilhaft zwischen 60 und 500 μm. Als bearbeitbare Materialien kommen beispielsweise auch Halbleiter wie Silizium oder Galliumarsenid in Frage. Aus diesen können beispielsweise auch die entsprechenden Prägewerkzeuge geschaffen werden.there If the structure period should be between 12 and 1000 μm, advantageously between 60 and 500 μm. When For example, semiconductors such as Silicon or gallium arsenide in question. These can, for example also the corresponding embossing tools be created.

3 zeigt eine dreidimensionale Pyramidenstruktur, die beispielsweise durch Kreuzung zweier sägezahnartiger Riefenstrukturen im rechten Winkel zueinander entsteht. Diese Strukturen können ebenfalls mittels Ultrapräzisionsbearbeitung in einer Oberfläche, entweder die eines optischen Elements oder in die Oberfläche eines Prägewerkzeugs eingebracht werden. 3 shows a three-dimensional pyramidal structure, which arises for example by crossing two sawtooth-like grooves at right angles to each other. These structures can also be incorporated by ultra-precision machining in a surface, either that of an optical element or in the surface of an embossing tool.

4 zeigt die Abhängigkeit der Transmission einer optischen Grenzfläche von der Frequenz im Terahertz-Bereich für den Fall einer eindimensionalen Oberflächenstruktur. Der Wellenvektor fällt in der Ebene senkrecht zur Oberfläche, die den Gittervektor enthält, ein, was auch als klassische Montierung bezeichnet wird. Die T_e-Kurve zeigt den Verlauf der Transmission für die TE-Polarisation und die T_m-Kurve zeigt den Verlauf der Transmission für die TM-Polarisation. Es zeigt sich, dass für Strahlung mit einer Frequenz oberhalb von 2 THz eine sehr gute Transmission oberhalb von 99% erreicht wird. In diesem Fall ist eine Brechzahl n = 1,5 des optischen Elements sowie 1,0 der umgebenden Luft sowie eine eindimensionale sinusoidale Struktur der Oberfläche, wie sie 1 zeigt, vorausgesetzt. 4 shows the dependence of the transmission of an optical interface on the frequency in the terahertz range in the case of a one-dimensional surface structure. The wave vector falls in the plane perpendicular to the surface containing the lattice vector, which is also referred to as a classical mount. The T _e curve shows the course of the transmission for the TE polarization and the T _m curve shows the course of the transmission for the TM polarization. It turns out that radiation with a frequency above 2 THz achieves a very good transmission above 99%. In this case, a refractive index n = 1.5 of the optical element and 1.0 of the surrounding air and a one-dimensional sinusoidal structure the surface, like her 1 shows, provided.

5 zeigt die Reflexion in Prozent aufgetragen gegen den Quotienten aus der Strukturtiefe und der Wellenlänge einer Terahertzwelle, wobei sich zeigt, dass Oberflächenstrukturen, bei denen die Tiefe der Ausnehmungen wenigstens halb so groß ist wie die Wellenlänge, ideale Reflexionsanteile weit unterhalb von 1% erreichen. Dies macht deutlich, dass die technologisch sehr schwierige Gestaltung von tief strukturierten Oberflächen mittels der Ultrapräzisionsbearbeitung im Terahertz-Wellenbereich durch entsprechend gute reflexionsfreie Transmission an Grenzflächen belohnt wird. 5 shows the reflection in percent plotted against the quotient of the structure depth and the wavelength of a terahertz wave, showing that surface structures in which the depth of the recesses is at least half the wavelength reach ideal reflection components far below 1%. This makes it clear that the technologically very difficult design of deeply structured surfaces by means of ultraprecision machining in the terahertz wave range is rewarded by correspondingly good reflection-free transmission at interfaces.

Die 6 zeigt ein Diagramm, in dem der Reflexionskoeffizient in Prozent gegen die Frequenz in Terahertz einer Welle aufgetragen ist, wobei eine entsprechend antireflektierend gestaltete Oberfläche vorausgesetzt ist.The 6 shows a diagram in which the reflection coefficient is plotted in percent against the frequency in terahertz of a wave, with a correspondingly antireflecting designed surface is assumed.

Es zeigt sich, dass bei einer Strukturtiefe von 300 μm bereits bei einer Frequenz von 0,2 THz ein fast ideal niedriger Reflexionsgrad erreicht wird, während bei einer Oberflächenstrukturtiefe von 100 μm der entsprechend gute Reflexionsgrad bzw. die Reflexionsunterdrückung erste bei etwa 0,5 bis 0,6 THz erreicht wird.It shows that at a structure depth of 300 microns already at a frequency of 0.2 THz, an almost ideal low reflectance is achieved while at a surface texture depth of 100 μm the correspondingly good reflectance or the reflection suppression first is reached at about 0.5 to 0.6 THz.

Die dargestellten Modellrechnungen zeigen, dass zur Erzielung optimierter Reflexionseigenschaften eine Strukturtiefe zwischen 100 und 300 μm nicht unterschritten werden sollte, wenn ein erheblicher Bandbreitenbereich der Terahertzwellen ausgenutzt werden soll.The model calculations show that to achieve optimized Reflective properties not below a texture depth between 100 and 300 microns should be, if a considerable bandwidth range of the terahertz waves to be exploited.

Zu den entsprechenden Replikationstechniken für die genannten Werkzeuge sei bemerkt, dass auf die mittels Ultrapräzisionsbearbeitung geformte und gestaltete Oberfläche eine ca. 50 nm dicke metallische Startschicht aufgebracht werden kann. Dies kann beispielsweise durch Sputtern mit Gold, Silber oder Nickel/Vanadium durchgeführt werden. Anschließend wird in einem Galvanikbad Nickel bis zu einer Dicke von 150 μm bis 300 μm abgeschieden. Dies stabilisiert das Negativprofil so, dass es von dem Werkstück abgelöst und weiter bearbeitet werden kann. Die Form des Werkzeugs kann mittels Walzen, Prägeverfahren, einfachen Prägeverfahren, Spritzguss oder Heißpressen auf die Oberflächen von optischen Elementen übertragen werden.To the corresponding replication techniques for said tools noticed that molded on by means of ultra-precision machining and designed surface an approximately 50 nm thick metallic starting layer can be applied can. This can be done, for example, by sputtering with gold, silver or Nickel / vanadium performed become. Subsequently Nickel is deposited in a galvanic bath to a thickness of 150 microns to 300 microns. This stabilizes the negative profile so that it detached from the workpiece and further processed can be. The shape of the tool can be achieved by means of rolling, embossing, simple embossing process, Injection molding or hot pressing on the surfaces transmitted by optical elements become.

Claims

Method for processing an optical element intended for use in the terahertz wave range, characterized in that recesses are introduced into the surface by machining and / or removing ultra-precision machining of the optical element, by means of which the effective refractive index in the surface region is reduced.

Method for processing an optical element, which is intended for use in the terahertz wave range, thereby characterized in that by means of a tool by a shaping process, which images the tool in three dimensions, into the surface of the optical element recesses are introduced, through which the effective refractive index in the surface area is reduced, the tool being made directly by ultra-precision machining or indirectly by molding a created by ultra-precision machining surface is made.

Method for producing a tool for embossing the surface one provided for use in the terahertz wave region optical Elements, characterized in that the tool immediately by ultraprecision machining or indirectly by molding one by ultra-precision machining created surface will be produced.

Use of a processing machine of ultra-precision machining for producing an optical element for use in Terahertz wave range is provided, characterized in that by cutting and / or abrasive ultra-precision machining of the optical Elements in the surface Recesses are introduced by which the effective refractive index in the surface area is lowered.

Use of a processing machine of ultra-precision machining for producing a tool by means of a molding method, the three-dimensional image of the tool, in the surface of a intended for use in the terahertz wave region optical Elements recesses are introduced by which the effective Refractive index in the surface area is lowered, characterized in that the tool immediately by ultra-precision machining or indirectly by molding one by ultra-precision machining created surface will be produced.

Optical element for use in the terahertz wave region, characterized by the production using the ultra-precision machining, wherein Cutting and / or abrasive ultra-precision machining of the element in the surface Recesses are introduced by which the effective refractive index in the surface area is lowered.

Optical element for use in the terahertz wave field, thereby characterized in that by means of a tool by a shaping process, which images the tool in three dimensions, into the surface of the optical element recesses are introduced, through which the effective refractive index in the surface area is reduced, the tool being made directly by ultra-precision machining or indirectly by molding a created by ultra-precision machining surface is made.

Method according to Claim 2, 3 or 5, characterized that the impressions of the tool applying a conductive Starting layer on a created by means of ultra-precision machining surface and then provides the galvanic application of a nickel layer.

Method according to claim 2, characterized in that that the molding process is an embossing process or an injection molding process includes.

Optical element according to Claim 7, characterized that the surface of the optical element by a tool in an embossing process or an injection molding process is edited.

An optical element according to claim 6, 7 or 10, characterized characterized in that the surface of the optical element in the form of a three-dimensional sine wave distribution is designed.

An optical element according to claim 6, 7 or 10, characterized characterized in that the surface of the optical element by two crossing sine wave distributions is designed.

An optical element according to claim 6, 7 or 10, characterized characterized in that the surface of the optical element in the form of a multi-dimensional sawtooth structure is designed.

Optical element according to one of claims 6, 7 or 10, characterized in that the surface of the optical element designed by two intersecting multi-dimensional sawtooth structures is.

Optical element according to one of claims 6, 7 10, 11, 12, 13, 14, characterized in that the surface of the optical element consists of a plastic.

Optical element according to one of claims 6, 7, 10, 11, 12, 13, 14, 15 characterized in that the surface of the optical element is made of the same material as the interior of the optical element.