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Lexikon der Optik: Gitterherstellung

Gitterherstellung, Gitterteilung. Sie kann mechanisch mit Gitterteilmaschinen oder interferentiell (holographisch) durch das Photographieren eines Interferenzmusters erfolgen.

1) Mechanische Teilung. Mit Teildiamanten werden von Gitterteilmaschinen gleichförmige parallele und äquidistante Furchen (Striche) auf einem ebenen oder konkaven Gitterrohling (entweder Metall oder mit Metall beschichtetes Glas) gezogen. Da die Intensitätsverteilung des an Gittern gebeugten Lichtes von der Furchenform abhängt, ist es erforderlich, der Spitze des Teildiamanten eine besondere Form zu geben, die zu glatten Furchenformen und damit zu reduziertem Streulicht führt. J. v. Fraunhofer erreichte schon 1821 über 1000 Linien pro mm (L/mm). Die meisten Teilmaschinen sind vom Rowland-Typ, bei welchem das den Teildiamanten tragende Element eine schnellere Hin- und Herbewegung ausführt, indessen der Gitterrohling langsam unter dem Diamanten hindurchgezogen wird.

Eine solche Maschine (Abb. 1) besitzt zwei zueinander senkrechte Geradführungen. Auf der einen Führung kann sich ein Schlitten a bewegen, der den Gitterrohling b trägt, auf der anderen ein Doppelschlitten c, an dessen Verbindungsstange das Reißerwerk mit einem Diamantstichel d befestigt ist. Die Bewegung des Gitterrohlings erfolgt durch Drehung einer Präzisionsschraube e, auf deren Achse ein Sperrad befestigt ist. Die Anzahl der Zähne des Sperrades und die Ganghöhe der Präzisionsschraube bestimmen die Gitterkonstante. Der Doppelschlitten wird von einer Kurbelstange hin- und herbewegt, wobei das Reißerwerkzeug dafür sorgt, daß der Diamant nur bei einer Bewegungsrichtung auf der Oberfläche des Rohlings aufliegt.

Schneller arbeiten Teilmaschinen (J. Strong), die bei kleineren Gittern den Diamanten langsam längs einer Richtung bewegen und den Gitterrohling selbst dazu senkrecht entsprechend der Anzahl der Furchen hin- und herbewegen. Wenn die Masse des Gitterrohlings aus Formatgründen groß ist, erweist es sich als günstiger, den Rohling fest zu lassen und beide notwendigen Bewegungen mit dem Diamanten auszuführen.

Etwa ab 1955 wird nicht mehr eine mechanische Spindel als Positionierungsgrundlage für die Furchen verwendet, sondern die Lagekontrolle erfolgt interferometrisch (J. Strong, G. R. Harrison).

Weiterhin gelang es, auf Konkavgitterrohlingen mittels einer computerkontrollierten Teilmaschine Furchen mit örtlich variierender Gitterkonstante und Krümmung zu erzeugen (T. Harada). Es ergeben sich so sehr gut korrigierte abbildende Gitter.

Teilungen eines Originals können mehr als eine Woche beanspruchen, so daß erst die Möglichkeit der Herstellung von Gitterkopien kommerziell erträgliche Verhältnisse schafft.

2) Interferentielle Teilung (Herstellung holographischer Gitter). A. Cotton stellte 1901 erstmalig Gitter mit 90 L/mm durch Photographie von Interferenzbildern her. Diese Technik führte jedoch erst dann zu Gittern guter Qualität, als der Laser zur Verfügung stand (D. Rudolph und G. Schmahl 1967, A. Labeyrie 1967). Die Gitteroberfläche (Glas, Sitall u.a.) wird mit einem Photoresist meist durch Aufschleudern in Dicken zwischen 0,1 und 3 μm beschichtet (Abb. 2). Belichtet wird mit einem Interferenzfeld zweier Laserlichtbündel, die für Plangitter ebene Wellen, für Konkavgitter ebene oder aber sphärische (asphärische) Wellen sind. Nach Entwicklung des Resists entsteht durch Auswaschen der belichteten Teile (Positivresist) ein Oberflächenrelief, das schließlich im Vakuum mit Metall (Al für den sichtbaren und den ultravioletten Spektralbereich, Au für den infraroten Bereich) und eventuell mit einer Schutzschicht (MgF2, SiO2) beschichtet wird. Die Ausnutzung von Nichtlinearitäten der Resistkennlinie sowie das Arbeiten mit Vorbelichtungen, stehenden Wellen u.a. gestatten, eine breite Palette von Furchenprofilen wie die von Sinusgittern oder laminar-ähnlichen Gittern, Blazeprofilen, Zykloidenformen u.a. herzustellen. Die interferierenden Wellen können durch Wellenfront- oder Amplitudenteilung hergestellt werden. Allgemein werden bei der interferentiellen G. entsprechend Abb. 3 die Achsen zweier zueinander kohärenter Laserstrahlen auf den Scheitelpunkt S des Gitterträgers ausgerichtet, wobei über Mikroobjektive O und Modenblenden die beiden Punktquellen C und D realisiert werden, die das auf das Gitter aufzubelichtende Interferenzmuster erzeugen. Die Belichtungszeiten liegen im Bereiche von Minuten, verwendet werden Ar- und HeCd-Laser im Einmodenbetrieb. An die mechanische Stabilität der Interferenzanordnungen zur G. werden ebenso wie bei mechanischer G. höchste Anforderungen gestellt (Temperaturstabilisierung, Schwingungsunterdrückung). Moderne Anlagen arbeiten z.B. mit einer piezokeramisch gesteuerten Stabilisierung des Interferenzfeldes (S. Johannson).

Blaze wird bei mechanischer G. durch spezielle Formen des Diamantwerkzeuges erreicht, bei interferentieller G. durch folgende Verfahren:

a) Michelson-Sheridon-Verfahren (Methode der stehenden Welle). In ein durch einander entgegenlaufende Lichtwellen erzeugtes Interferenzfeld wird ein mit einem Photolack (Resist) beschichteter Träger gestellt (Abb. 4a). Beim Entwickeln wird der Photolack an den stark belichteten Stellen besonders schnell gelöst (Abb. 4b), und es entsteht das dick ausgezogene Dreiecksprofil. Diese Methode ist auch auf korrigierte Konkavgitter übertragen worden.

b) Ionenätzen. Hierbei werden die Furchen von Sinusgittern auf die gewünschte Dreiecksform "abgeschliffen".



Gitterherstellung 1: Gitterteilmaschine vom Rowlandschen Typ. a Schlitten, b Rohling, c Doppelschlitten, d Diamantstichel, e Präzisionsschraube.



Gitterherstellung 2: Prinzipielle Schritte bei der Herstellung holographischer Gitter.



Gitterherstellung 3: Anordnung zur Herstellung korrigierter holographischer Konkavgitter. G Gitterträger, S Gitterscheitel, KL kollimierte Laserstrahlung, O Mikroobjektive, C und D Modenblenden, KW Kugelwellen, I Interferenzmaxima, F Gitterfurchen, AW wahlweise eingefügte optische Zusatzsysteme zur Erzeugung asphärischer Wellen (Korrektionsverbesserung).



Gitterherstellung 4: Blazeherstellung nach der Methode der stehenden Welle. a) Belichtung, b) Entwicklung.

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