Polieren von Gläsern und Kunststoffen mit CO2-Laserstrahlung

In der vorliegenden Arbeit werden erstmals grundlegende Verfahrensuntersuchungen zum Laserpolieren von Gläsern und Kunststoffen an Flachproben durchgeführt. Die Untersuchungen erfolgen exemplarisch für die Werkstoffe Quarzglas und Polycarbonat. Auf Basis der Ergebnisse der Verfahrensentwicklung wird eine geeignete Laboranlagentechnik ausgelegt und aufgebaut. Die Grundlagenuntersuchungen werden für Glas durch Thermografie und Hochgeschwindigkeitsvideografie des Prozesses unterstützt. Die Bewertung der Oberflächen erfolgt mittels Weißlichtinterferometrie, Laserinterferometrie und für ausgewählte Messaufgaben mit Rasterelektronenmikroskopie (REM, EDX) und Rasterkraftmikroskopie (AFM). Die aus den Grundlagenuntersuchungen resultierenden Anforderungen werden in einer Laboranlage umgesetzt.Für die Laserpolitur von Quarzglas und Kunststoff ist eine reine Umgebung mit einer Reinraumklasse 5 erforderlich, um das Einbrennen von Staubpartikeln in die Oberfläche zu vermeiden. Zusätzlich müssen die zu bearbeitenden Proben vor der Bearbeitung mit einem angepassten Verfahren gereinigt werden. Alle Verfahrensparameter beeinflussen die Prozesstemperatur. Mit einer Prozesstemperatur knapp unterhalb der Verdampfungstemperatur kann die Rauheit im gesamten Ortswellenlängenspektrum am effektivsten reduziert werden. Aufgrund dessen wird eine Temperaturregelung mittels Pyrometrie aufgebaut, mit der die Prozesstemperatur eingestellt werden kann. Als wichtigste Verfahrensparameter für beide Werkstoffe werden die Wechselwirkungszeit und die Intensität identifiziert. Mit langen Wechselwirkungszeiten und kleine Intensitäten kann die Welligkeit reduziert werden. Durch eine Vorheiztemperatur im Bereich der Glasübergangstemperatur kann ein Formverzug vermieden werden. Dadurch werden auch thermische Spannungen vermieden, die allerdings auch durch ein anschließendes Tempern beseitigt werden könnten. Mit einer möglichst homogenen Energieeinbringung durch große Linienbreiten und Linienlängen des Linienfokus kann die Welligkeit im Ortswellenlängenbereich von 100-2500 µm reduziert werden. Dementsprechend ist eine weitere Reduzierung der Formabweichung und der Welligkeit durch den Einsatz einer TopHat Optik insbesondere für die Laserpolitur von Polycarbonat zu erwarten. Hierbei wird die gesamte Oberfläche mit einer homogen ausgeleuchteten rechteckigen Intensitätsverteilung bearbeitet, so dass die Energieeinbringung noch weiter homogenisiert werden kann.Die auf Flachproben erreichten Ergebnisse werden auf sphärische und asphärische Oberflächen übertragen. Hierzu wird eine Bearbeitungsstrategie entwickelt, die eine Bearbeitung mit nicht senkrechtem Strahleinfall ermöglicht. Mit dieser Bearbeitungsstrategie werden erste laserpolierte Linsen hergestellt, die mit einem Interferometer vermessen werden können. Abschließend wird anhand von Linsen aus BK7 gezeigt, dass das Verfahren auch auf andere Werkstoffe übertragbar ist.Die erreichbare Mikrorauheit mit der Laserpolitur ist kleiner als die mit konventionellen Verfahren erreichbare Mikrorauheit. Die Welligkeit in einem Messfeld von 1x1 mm2 liegt nur einen Faktor 3 für Quarzglas bzw. einem Faktor 2 für Polycarbonat über der Welligkeit konventionell polierter Oberflächen. Die Welligkeit für eine sehr gut konventionell polierte Oberfläche liegt bei 0,3 nm für Quarzglas und bei 10 nm für Polycarbonat. Die Formabweichung bei der Laserpolitur von Quarzglas, die auch auf sphärischen Oberflächen erreicht wird, liegt mit 5 µm in einem Bereich, der für die Beleuchtungsoptik bereits ausreichend ist. Bei Verwendung einer Vorheiztemperatur im Bereich der Glasübergangstemperatur kann die Formabweichung auf 1 µm reduziert werden. Diese ist dann allerdings durch eingebrannte Staubpartikel dominiert, so