Einfluss feinoptischer Fertigungsprozesse auf die Beschaffenheit und Eigenschaften von Glasoberflächen
Optische Gläser und Medien stellen die Schlüsselmaterialien für die Realisierung photonischer und optischer Systeme dar. Im Zuge der Herstellung der dazu benötigten Komponenten mittels klassischer Feinoptikfertigung werden jedoch diverse Verunreinigungen der Oberfläche induziert, die wiederum negative Einflüsse auf unterschiedliche Funktionen optischer Oberflächen haben können. Obwohl diese Abhängigkeit allgemein bekannt ist wird in der einschlägigen Literatur nahezu ausschließlich auf final polierte Quarzglasoberflächen eingegangen. In der vorliegenden Arbeit wurden daher die im Laufe der Fertigung nach den einzelnen Prozessschritten auftretenden Kontamination und Modifikationen von Quarzglasoberflächen aufgrund der Interaktion mit den eingesetzten Betriebsstoffen und Werkzeugen betrachtet. Darüber hinaus wurden derartige Effekte auch auf technisch relevanteren optischen Mehrkomponentengläsern untersucht.
Nach einer Vorstellung des Werkstoffes Glas, der Fertigung optischer Komponenten und den dabei potentiell auftretenden Mechanismen und Typen der Glasoberflächenmodifikation wird auf die mögliche Variation fertigungsinduzierter Kontaminationen eingegangen. Hierbei werden unterschiedliche Einflussgrößen wie die Basis oder Konzentration der Poliermittelsuspension behandelt. Darüber hinaus wird gezeigt, dass im Zuge des Fertigungsprozesses einzelne miteinander korrelierende Kontaminations- und Modifikationseffekte auftreten. Die hierbei beobachtete Verunreinigung der Oberfläche mit Kohlenstoff und weiteren Fremdstoffen sowie die Bildung von Suboxid-Verbindungen weisen eine Abhängigkeit von der Oberflächenrauheit auf. Dabei kommt es im Zuge des Vorschleifens und Vor-läppens zu einer erst ansteigenden und im Laufe der folgenden Schritte sinkenden Kontami-nation und Modifikation des Glasmaterials, deren Ausprägung nach dem finalen Polieren minimal ist. Es wird jedoch gezeigt, dass die chemische Zusammensetzung polierter Glasoberflächen aufgrund der residualen Kontamination mit Fremdstoffen aus der Poliermittelsuspension und der Auslaugung von Glasbestandteilen vom ungestörten Volumenmaterial abweicht. Dies hat wiederum eine Modifikation der optischen Eigenschaften des Glases und somit eine Beeinträchtigung der Leistung und Funktionalität klassisch gefertigter optischer Komponenten zur Folge.
Vor diesem Hintergrund wurde abschließend ein plasmabasiertes Finishing zur Nachbearbeitung polierter Oberflächen untersucht, wobei auf derzeit aktuelle Fragestellungen aus der industriellen Anwendung wie etwa die Steigerung der Haftfestigkeit und laserinduzierten Zerstörschwelle sowie die Feinstpolitur optischer Komponenten eingegangen wird. Dabei werden die Performance, aber auch die Grenzen eines solchen Finishings vorgestellt und diskutiert.
Optical glasses and media represent key materials for the realisation of photonic and optical systems. However, various contaminations are induced in the course of the production of the required components via classical optics manufacturing, which may have negative impact on different functionalities of optical surfaces. Even though this dependency is well-known, respective literature focusses almost exclusively on finally polished fused silica surfaces. In the present work, contaminations and modifications induced by the interaction of operating materials and tools with fused silica surfaces during single process steps in optics manufac-turing are thus considered. Moreover, such effects were also investigated on technically more relevant optical multi-component glasses.
After introducing the substance glass, the fabrication of optical components and potential mechanisms and types of glass surface modification, which may arise during manufacturing, potential variations of manufacturing-induced contaminations are covered. In this context, different influencing factor such as the basis or concentration of the polishing suspension are outlined. It is moreover shown that during the manufacturing process individual correlation effects of contamination and modification arise. The observed carbonic impuri-ties and foreign matters as well as the formation of suboxides exhibit a dependency on sur-face roughness. In the course of manufacturing, an increasing contamination and modifica-tion occurs initially due to rough grinding and lapping. By subsequent production steps, this effect decreases and reaches a minimum after final polishing. It is though shown that the chemical composition of polished glass surfaces differs from the undisturbed bulk material due to the residual contamination with impurities from the polishing suspension and leaching of glass constituents. As a result, the optical properties of the glass are modified, leading to an impairment of the performance and functionality of classically-manufactured optical components.
Against this background, plasma-based finishing for post-processing of polished sur-faces was finally investigated, where the focus was on currently prevailing industrial applications as for example an increase in adhesion and laser-induced damage threshold as well as super polishing of optical components. Both the performance and restrictions of such finishing are introduced and discussed.
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