3D-Druck: Diffraktive optische Elemente hochpräzise drucken

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Bild 1: Ein Laserstrahl wird durch ein 3D-gedrucktes diffraktives optisches Element gebeugt. Auf diese Weise entsteht hier das Präzisionsmuster des USAF-Charts.
Bild 1: Ein Laserstrahl wird durch ein 3D-gedrucktes diffraktives optisches Element gebeugt. Auf diese Weise entsteht hier das Präzisionsmuster des USAF-Charts. (Bild: Alex Tudor / Nanoscribe)

In nur einem Druckvorgang können DOE-Strukturen mit Pixeln von nur einigen hundert Nanometern Größe 3D-gedruckt werden. Die dabei entstehenden Prototypen können entweder direkt zur Strahlformung eingesetzt oder als Master für die Serienfertigung in replizierenden Verfahren verwendet werden.

Die Herstellung von DOE-Mikrostrukturen, welche aus vielen Stufen bestehen, gewinnt immer mehr an Bedeutung – sowohl in der wissenschaftlichen Forschung als auch für industrielle Anwendungen, denn sie eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise für optische Messsysteme, in der Materialverarbeitung oder als Sicherheitsmuster.

Während die Herstellung von Multilevel-DOE mit herkömmlichen planaren Lithographieverfahren viele Prozessschritte erfordert, bietet nun auch der der 3D-Druck neue Möglichkeiten. Mit dem 3D-Drucker Photonic Professional GT2 können schnell und hochpräzise funktionalen DOE-Prototypen gefertigt werden, welche direkt als Polymer-Master für replizierende Verfahren genutzt werden können. Der additive Prozess erzeugt DOE mit submikrometergroßen Reliefstrukturen, die beispielsweise im Spritzgussverfahren auf Formteile in hohen Stückzahlen übertragen werden können.

In diffraktiven optischen Elementen mit ihren mikroskopisch kleinen Strukturen (Bild 1) wird einfallendes Licht gebeugt. Mit Laserlicht können aufgrund nahezu beliebig herstellbarer DOE-Mikrostrukturen im Fernfeld die gewünschten Muster projiziert werden.

Die 3D-Drucker von Nanoscribe können Multilevel-DOE-Designs mit kleinen Pixeln von einigen hundert Nanometern in einem Druckvorgang herstellen. Bei dem auf der Zwei-Photonen-Polymerisation basierenden 3D-Druck härtet ein fokussierter Laserstrahl einen flüssigen, fotosensitiven Lack nur im absoluten Fokuspunkt aus. Der Laserfokus wird Schicht für Schicht durch den Fotolack geführt. So entsteht ein dreidimensionales Objekt – oder ein DOE-Relief als 2,5D-Mikrostruktur. Nach dem Druck wird unbelichteter Lack in einem Entwicklungsbad entfernt.

Bedienerfreundlicher 3D-Druck-Workflow

Für die technisch anspruchsvolle Herstellung hochauflösender DOE-Mikrostrukturen bieten die 3D-Drucker von Nanoscribe einen durchdachten Workflow. Der Workflow umfasst die Möglichkeit individuelle DOE-Designs zu importieren, ein speziell für DOE entwickeltes Software-Rezept mit angepassten Druck-Parametern sowie eine hochpräzise Steuerung des eigentlichen 3D-Drucks der Mikrostrukturen.

Hochauflösende DOE-Designs werden in ähnlicher Weise wie gewöhnliche 3D-Modelle importiert und verarbeitet. Dafür wird zunächst ein Phasenverteilungsbild der DOE mit einer speziellen Software berechnet. Aus der Phasenverteilung wird dann ein Höhenprofil mit der Drucker-Software generiert, wie in Bild 2 zu sehen. Mithilfe des DOE-Software-Rezepts erzeugt der 3D-Drucker das DOE als komplexes Mikroreliefmuster in einem einzigen Druckvorgang.

3D-gedruckte DOE-Prototypen können direkt zur Strahlformung, Lichthomogenisierung oder Strahlteilung eingesetzt werden. Doch sie eignen sich auch für die Serienfertigung in replizierenden Verfahren. So können DOE als Polymer-Master fungieren, womit Metallformteile hergestellt und für das nachfolgende Spritzgießen, Heißprägen oder für die Nanoimprint-Lithographie verwendet werden.

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