Wie der Name schon vermuten lässt, verwendet das Laseroptikgerät Femtolab ausschließlich Femtosekunden-Laser, um eine besonders präzise Fertigung zu ermöglichen. So entsteht eine fein strukturierte Spezial-Wellenplatte, die das normale linear polarisierte Laserlicht in radiale oder azimutale Polarisation konvertiert und Nutzern in Forschung und Industrie höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten, eine bessere Qualität und höhere Auflösung mit optimal angepassten Polarisationsstrahlen beschert.

Bild 1: Foto einer S-Wellenplatte in kreuzpolarisiertem Licht (links) und in der Produktionsvorschau (mittig, rechts).

Bild 1: Foto einer S-Wellenplatte in kreuzpolarisiertem Licht (links) und in der Produktionsvorschau (mittig, rechts).Aerotech

Bessere Qualität durch azimutale Polarisation

S-Wellenplatten ermöglichen eine erhebliche Reduzierung von Verzerrungen, die die Randqualität der bearbeiteten Strukturen beeinträchtigen, und sind effizienter beim Bohren und Ausschneiden von Löchern mit hohem Aspektverhältnis. Darüber hinaus können sie zur Anpassung des Strahls dienen, 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 auch vorteilhaft für Anwendungen wie optische Pinzetten und STED-Lasermikroskopie, weiterhin kann die S-Wellenplatte zum Erzeugen von optischen Hochleistungswirbeln zum Einsatz kommen.

S-Wellenplatten (Bild 1) sind ein patentiertes Produkt, das durch laserinduzierte doppelbrechende Nanogitter in einem losen Quarzglas-Substrat unter Verwendung des Femtolab-Laserlaborsystems von Workshop of Photonics (Bild 2) hergestellt wird. Bei dem Prozess kommt eine Nanostrukturierungstechnik zur Anwendung, die ein Team am Optoelectronics Research Centre der Universität Southampton unter Leitung von Professor Peter G. Kazansky entwickelt hat.

Bild 2: Das Mikrobearbeitungssystem Femtolab von Workshop of Photonics kombiniert die Mikrobearbeitungsoftware SCA mit der Servobewegungssteuerung A3200 von Aerotech.

Bild 2: Das Mikrobearbeitungssystem Femtolab von Workshop of Photonics kombiniert die Mikrobearbeitungsoftware SCA mit der Servobewegungssteuerung A3200 von Aerotech. Aerotech

Im Gegensatz zu aus verklebten Bauteilen hergestellten Wellenplatten zeichnet sich die einteilige Struktur durch die hohe Zerstörschwelle, bessere Hitzebeständigkeit und sehr hohe Polarisationswandlungseffizienz aus. Da weder Polieren, Schleifen noch Fräsen erforderlich ist, verfügt der Prozess über systemimmanente Rapid-Prototyping-Fähigkeiten mit der Möglichkeit, die Gerätespezifikation oder die Substratabmessungen mühelos durch einfache Änderungen der Frontend-Programmparameter ohne hohe zusätzliche Entwicklungskosten individuell anzupassen.

ETC-Algorithmus verhindert Positionsfehler

Die induzierte Nanogitter-Doppelbrechung ist je nach der erforderlichen Wellenlänge und freien Apertur vorsichtig und sorgfältig mit Wiederholtoleranzen im untersten Submikrometerbereich ausgewählt. Das Femtolab kann eine Wellenplatte mit hoher Präzision und Qualität herstellen und gleichzeitig eine hohe Durchsatzleistung beibehalten. Dazu kombiniert Workshop of Photonics die eigene SCA-Laser-Mikrobearbeitungs-Frontend-Software (System Control Application) mit einer auf Automation A3200 von Aerotech basierenden Vier-Achsen-Servobewegungssteuerung. Diese Bewegungssteuerungssysteme umfassen die Enhanced-Tracking-Control-Funktion (ETC) zur Reduzierung von Schleppfehlern bei konturierten Bewegungen und zur Verbesserung der Move‐and‐Settle-Zeiten bei der Punkt‐zu‐Punkt-Positionierung.

Bild 3: Lagerreibung, hier dargestellt anhand der Verstärkung des Servoregelkreises, ist die Hauptstörquelle.

Bild 3: Lagerreibung, hier dargestellt anhand der Verstärkung des Servoregelkreises, ist die Hauptstörquelle.Aerotech

Der ETC-Algorithmus arbeitet parallel zur herkömmlichen proportional‐integral‐derivativen (PID) Servoregelung der A3200-Steuerungsarchitektur und erhöht so die Widerstandsfähigkeit des Servomechanismus gegenüber Störungen, die andernfalls zu Positionsfehlern führen würden. Hauptstörquelle ist Lagerreibung infolge der Interaktion zwischen den unzähligen Wälzkörpern jedes mechanischen Tisches (Bild 3). Dazu kommen sich ständig ändernde Schwankungen bei Vorspannungen und Schmierständen.

Praxis und Theorie annähern

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. Das tritt besonders ausgeprägt bei Richtungsumkehrungen bei konturierten Bewegungen auf und führt zu einer langen „Flanke“ in der Einschwingzeit, während die Steuerung versucht, den Tisch in Position zu bringen. Somit verlängert sich die Zeit, die jede Achse und das System als Ganzes dafür benötigen, um die Position zu erreichen. ETC erhöht die Niedrigfrequenzverstärkung des Servomechanismus nachhaltig und reduziert diese Flanke, indem sie das dynamische Verhalten des Systems an das eines idealen reibungslosen Systems annähert.

Bild 4: ETC beseitigt das Einschwingen mit langer Flanke im Zusammenhang mit Toleranzen im Submikrometerbereich.

Bild 4: ETC beseitigt das Einschwingen mit langer Flanke im Zusammenhang mit Toleranzen im Submikrometerbereich.Aerotech

Bei der S-Wellenplatten-Anwendung, bei der die konturierte Spirale mit einer Kombination aus Aerotechs Drehtischen ANT130 XYZ und ANT130 erzeugt wird, minimiert sich somit der Schleppfehler. Das wiederum sorgt für eine erheblich bessere Teilequalität, erhöhte Durchsätze und deutliche bessere Positioniergenauigkeit. Die grafische Darstellung in Bild 5 zeigt eine vierfache Verbesserung beim Peak-Schleppfehler über der Zeit, wenn ETC auf derartige komplexe Konturen angewandt wird.

Femtolab für Forschung und Industrie

Workshop of Photonics verwendet beim Femtolab-Laserlabor standardmäßig die Bewegungssteuerungssysteme Automation A3200 mit Nanopositioniertischen der Serie ANT130 mit Linearmotorantrieb, beide von Aerotech. Das Femtosekunden-Laser-Bearbeitungssystem umfasst eine Bildverarbeitung, Strahlformungsoptiken und einen Galvo-Scankopf, um Nutzern die Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit und die Positionierung über große Bereiche, gepaart mit Auflösung im Nanometerbereich und Genauigkeit im Submikrometerbereich, bieten zu können.

Bild 5: Bei komplexen Konturen kann ETC den Peak-Schleppfehler um das Vierfache reduzieren.

Bild 5: Bei komplexen Konturen kann ETC den Peak-Schleppfehler um das Vierfache reduzieren.Aerotech

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. Dazu zählen unter anderem MEMS-Sensoren und die Herstellung optischer Mikro-Elemente ebenso wie die Reparatur von Mikrochips und Zweiphotonen-Fluoreszenzmikroskopie.

Die an Kundenwünsche anpassbaren, direkt angetriebenen Linear- bzw. Linear-/Rotationstischsysteme auf Basis der ANT130-Serie sind als XYZ oder XYZØ mit kundenspezifischem Verfahrweg konfiguriert und mit einer Granitbrückenträgerstruktur sowie einer pneumatisch ausgleichenden Vertikalachse ausgestattet. Dank der engen Zusammenarbeit mit Workshop of Photonics bezüglich jeder Anwendung bietet Aerotech für die komplette Mechanik und das Bewegungssteuerungssystem eine nanometergenaue Performance. Die A3200 berücksichtigt darüber hinaus weitere kritische Bewegungsanforderungen wie den Position-Synchronised-Output-Befehl (PSO), der eine äußerst genaue Synchronisation zwischen dem nanometergenauen Positionierungssystem und der Zündfolge des Lasers ermöglicht.

Auf einen Blick

ETC-Funktion vermeidet Schleppfehler

Das erste kommerziell erhältliche Laseroptikgerät Femtolab von Workshop of Photonics verwendet ausschließlich Femtosekunden-Laser und ermöglicht präzise Bewegungssteuerung ohne Schleppfehler. Dabei verdankt das System die höhere Positionsgenauigkeit und Teilequalität speziell entwickelten Wellenplatten und ausgefeilten Algorithmen. Zum Einsatz kommen auch die Servobewegungssteuerung A3200 und Drehtische der Serie ANT130 von Aerotech. Besonderes Merkmal der Bewegungssteuerung ist die Nachführsteuerungsfunktion ETC, die Positionsfehler korrigiert und speziell bei konturierten Bewegungen maßgeblich an der Reduzierung von Schleppfehlern beteiligt ist.

Muster außerhalb des Sichtfeldes

Die Femtolab-Galvo-Scanner werden mit Aerotechs synchronisiertem Scanner- und Bewegungsmodul Nmark SSaM ebenfalls in die A3200 integriert. Damit lassen sich großformatige Bitmaps kontinuierlich verarbeiten, 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.

Bild 6: Schleppfehler beim Zeichnen von Kreisen mit einer Frequenz von 127 HZ mit und ohne ETC.

Bild 6: Schleppfehler beim Zeichnen von Kreisen mit einer Frequenz von 127 HZ mit und ohne ETC.Aerotech

Die ETC-Funktion verbessert außerdem die Leistung der bei Hochgeschwindigkeits-Lasergalvanometern eingesetzten Leichtbauspiegel. Diese sind trotz hochwertiger Lagerung besonders empfindlich schon gegenüber geringsten Störeffekten durch nichtlineares Reibungsverhalten, was die Positioniergenauigkeit bei Präzisionsanwendungen verschlechtern kann. Bild 6 zeigt den Schleppfehler eines Befehls zum Zeichnen von Kreisen bei einer Frequenz von 127 Hz mit und ohne ETC. Wenn der Algorithmus aktiviert ist, werden Positionsfehler korrigiert und letztendlich verbessert sich die Teilequalität.

Productronica 2015: Halle B3, Stand 229