Modernen Technologien im Bereich der UKP-Laseranwendungen zur effizienten Nutzung hoher Pulsenergien

25.01.2021 - Kategorie: Forschung & Entwicklung

Rohstrahl (links), Maske zur Homogenisierung des Rohstrahls (Mitte) und gemessener homogenisierter Rohstrahl (rechts).

Flächenabtrag mit konventionell gepulster Laserstrahlung (Einzelpuls-Modus) und einer resultierenden Löcherstruktur (oben) und im MHz-Burst-Modus und einer resultierenden Struktur von Schmelzablagerungen (unten), jeweils geglättet mittels GHz-Burst-Modus (Bilder rechts).

Die Entwicklung von Ultrakurzpulssystemen mit hohen mittleren Leistungen geht zunehmend auch in Richtung von Strahlenquellen mit hohen Pulsenergien. Diese hohen Pulsenergien effizient umzusetzen stellt die Forschung und Entwicklung vor große Herausforderungen. Im Rahmen der 12. Jenaer Lasertagung hat die Forschungsgruppe Laserpulsabscheidung dünner Schichten & Lasermikrostrukturierung mit den Themen "Laser Beam Shaping of real Beams using a Spatial Light Modulator and spatial filtering in conjunction with a Closed Loop" und "Duale Oberflächenbearbeitung mittels ultrakurzer Pulse im Burst Modus" ihren Beitrag zum aktuellen Stand der Forschung auf dem Gebiet der modernen Technologien im Bereich der UKP-Laseranwendungen geleistet und zwei Möglichkeiten einer effizienten Nutzung von hohen Pulsenergien vorgestellt.

Im erstgenannten Thema nehmen Spatial Light Modulators (SLMs) eine zentrale Rolle ein. Diese können die Strahleigenschaften räumlich und zeitlich beeinflussen. Durch die Verwendung eines SLMs wird es möglich, die Phasenlage des Strahls mit einer Auflösung von 800 x 600 Pixeln zu modulieren. Um nun beliebige Strahlprofile erzeugen zu können, wird ein optisches 2-Phasen-Gitter mit örtlich aufgelöster Beugungseffizienz ("Maske") auf diesem angezeigt. Dabei werden alle Beugungsordnungen bis auf die Nullordnung an einer Blende eingefangen. Dadurch wirkt der SLM effektiv wie eine Amplitudenmaske, die beliebige Strahlverteilungen darstellen kann. Basierend auf den Ergebnissen der vorgestellten Studie konnte nachgewiesen werden, dass selbst bei bekannten Beugungseigenschaften des SLMs und bekannter Rohstrahlverteilung des Lasers die am Ausgang gemessene Intensitätsverteilung ("Ausgangsverteilung") von der erwarteten abweicht. Um diesen Abweichungen entgegenzutreten, wird eine geschlossene Regelschleife verwendet, mit der die Ausgangsverteilung in jedem Iterationszyklus gemessen und die Zielverteilung entsprechend anpasst wird. Dadurch ist es möglich, beliebige Ausgangsverteilungen zu erzeugen, deren Intensität um weniger als 2 % von der Zielverteilung abweichen. Dies wiederum ermöglicht eine genaue Kontrolle der Strahlform am Bearbeitungsort und die Energie der Pulse kann großflächig und in einem für einen effizienten Bearbeitungsprozess optimalen Fluenz-Bereich appliziert werden.

Im zweiten Themengebiet wird die technisch maximale Pulsenergie eines einzelnen Pulses in eine definierte Anzahl an hochfrequenten Sub-Pulsen (Bursts) mit Intra-Burst-Pulswiederholfrequenzen bis in den GHz-Bereich aufgeteilt. Demzufolge kann die Fluenz pro Puls im Burst auf einen effizienten und produktiven Fluenz-Bereich angepasst werden, ohne eine sehr schnelle und technisch aufwendige Strahlablenkung zu benötigen. Eine Limitierung dieser Herangehensweise wird im GHz-Burst-Modus durch eine stark ausgeprägte Plasmaabschirmung gegeben, die durch hochfrequente Pulswiederholraten innerhalb eines Bursts auftritt. Anhand der Ergebnisse der vorgestellten Studie konnte jedoch durch die Verwendung des GHz-Burst-Modus ein Glättungseffekt nachgewiesen werden, der nachträglich unerwünschte Mikrostrukturen bzw. Schmelzablagerungen in einer dualen Prozessstrategie glättet.