Strahlformung

Strahlformung hat prinzipiell keine spezielle Anwendung zum Ziel, vielmehr ist sie ein Teil vieler Laseranwendungen. Das größte Potential für die Strahlformung liegt in der großflächigen Strukturierung repetitiver Mikrostrukturen. Dabei wird entweder das gewünschte Zielmuster mit einem oder wenigen Pulsen direkt strukturiert oder mit einer Vielzahl geschickt angeordneter Einzelstrahlen gearbeitet. So kann die optimale Fluenz für bestimmte Laserprozesse auch bei sehr kleinen geforderten Strahldurchmessern eingestellt werden, ohne sonderlich viel der ursprünglichen Laserleistung zu opfern.

Geht man beispielsweise von 1 mJ Pulsenergie bei einer Frequenz von lediglich 1 kHz aus, können für Direktstrukturierungen im µm-Bereich auf diese Weise die mehr als 1.000-fachen Bearbeitungsgeschwindigkeiten gegenüber Einzelfokusbearbeitungen erreicht werden, was typischer Weise im Bereich von wenigen Sekunden pro cm² liegt.

Zusätzlich kann nahezu jeder Laserprozess optimiert werden, da die typischen gaußschen Strahlprofile im Bearbeitungsraum an die jeweilige Aufgabe angepasst werden. So können etwa homogenere Energieeinträge ins Werkstück erzeugt werden, wodurch Laserschneid-, Laserschweiß-, Laserstrukturierungs- und Laserhärtungsprozesse gleichmäßigere Bearbeitungsergebnisse erzielen.

Wir beschäftigen uns am Laserinstitut Hochschule Mittweida sowohl mit den theoretischen Hintergründen der verschiedenen Strahlformungsmethoden, wie den Monge-Ampère Methoden oder den iterativen Fourier-Methoden, als auch mit der technischen Umsetzung für direktstrukturierende oder -markierende Anwendungen. Im Fokus steht dabei speziell die Verwendung von adaptiver Strahlformung mittels Flüssigkristall Spatial Light Modulators (SLMs) bei denen auch geschlossene Regelschleifen (Closed Loop) eingesetzt werden können. Das bietet die Möglichkeit unabhängig von der Strahlqualität des verwendeten Lasers arbeiten zu können, was den gesamten Prozess robuster gegenüber äußeren Änderungen und abweichenden Eingangsstrahlprofilen macht.

 

Anlagentechnik:

  • finale Optiken: Scanner + F-Theta-Objektiv, Mikroskopobjektive oder Einzellinsen
  • Strahlengänge: abbildend oder Fokusstrukturierung
  • Achsen: XYZ-Linearachsen, a < 3 g, vmax < 2 m/s, Traglast: ~ 50 kg, Widerholgenauigkeit: 0,4 µm
  • Strahlquellen: λ = 775 nm, Q = 1 mJ, f = 1 kHz, τ = 150 fs oder λ = 514 nm, Q = 260 µJ, f = 200 kHz, τ = 150 fs
  • SLM: Hamamatsu X10468-02 oder 2 x Hamamatsu X13139-04 LCoS-SLM
  • Prozesskontrolle: In-Situ Autofokussierung, In-Situ Probenbeobachtung, Lasertriangulationssensor, In-Situ Strahlformung und -Beobachtung

 

Allgemeines:

  • Art der Strukturen: Rippelung, Direktabtrag, Intra-Material-Strukturierung, Resist-Belichtung
  • Strukturierung von Glas- und Metalloberflächen
  • direktstrukturierende Erzeugung von repetitiven 2,5D-Strukturen, speziell reflektierende Beugungsgitter mit > 2 µm Periode
  • Entwicklung und Verwendung von GUI-basierter Software zur Closed-Loop Strahlformung

 

Perspektiven/Ausblick:

  • Strahlformung durch ortsaufgelöste Beugungsgitter-Effizienz
  • parallele Direktstrukturierung von Wellenleitern, photonischen Kristallen und selbstorganisierenden Nano-Gittern in Gläsern
  • Test neuer Strahlanordnungen für Strahlteiler zur parallelen ultraschnellen 2,5D-Direktstrukturierung repetitiver Strukturen
  • Verwendung von DMDs für die Laser-Direktstrukturierung mit Einzelpulsstrahlformung
  • Einsatz von Spatial Light Modulatoren bei hochrepetitiven Strahlquellen für größtmögliche Flächenraten

 

Entwicklung von Produkt- und Prozessinnovationen HSMW 2017, TP1: Prozessverständnis und -parameter zum schädigungsarmen und selektiven Abtragen dünner organischer Schichten der organischen Elektronik (OE) durch resonante und zwei-Photonen-resonante Anregung

Laufzeit: 2017 - 2019
Förderung: SMWK
Projektpartner:
Projektleitung: Prof. Dr. rer. nat. habil. A. Horn

 

Ultrapräzisions-Laserbearbeitung (UltraLas)

Laufzeit: 2015 - 2019
Förderung: SMWK / EU (ESF Nachwuchsforschergruppe)
Projektpartner:
  • Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner
  • Prof. Dr. rer. nat. habil. A. Horn
  • Prof. Dr.-Ing. U. Löschner
Projektleitung: Prof. Dr. rer. nat. S. Weißmantel
Webseite: www.laser.hs-mittweida.de/institut/projekte/ultralas.html
A. Kratsch, S. Weißmantel:
Laser Beam Shaping of real Beams using a Spatial Light Modulator and spatial filtering in conjunction with a Closed Loop,
In: Innovative Verfahren der Lasermaterialbearbeitung, 12. Jenaer Lasertagung, DVS-Berichte Band 367, Düsseldorf: DVS Media, 2021, ISBN: 978-3-96144-132-7, S. 248

A. Kratsch, F. Ehrenberg, A. Engel, S. Weißmantel:
Using a camera feedback loop for phase retrieval in an iterative Fourier transform algorithm to calculate beam splitter phase gratings for parallel laser microstructuring,
In: Proceedings of SPIE 10519 (2018)

A. Kratsch, M. Olbrich, S. Weissmantel, A. Horn:
Solving the logarithmic Monge-Ampère equation with a RK4-algorithm for beam shaping purposes of femtosecond laser beams with a spatial light modulator,
In: Proceedings of SPIE 10518 (2018)

A. Kratsch, M. Olbrich, S. Weißmantel, F. Ehrenberg, A. Engel, M. Pfeiffer:
Nahfeld Strahlformung beliebiger Strahlprofile mit Hilfe der logarithmisch parabolischen Monge-Ampère-Gleichung,
In: Scientific Reports, 18. Nachwuchswissenschaftlerkonferenz (NWK) 1/2017, S. 308-318

I. Berthold, M. Olbrich, R. Ebert, H. Exner:
Untersuchungen zur Lasermikrostrukturierung unter Nutzung unkonventioneller Strahlformung,
In: Scientific Reports, Journal of the University of Applied Sciences Mittweida 4/2015, S. 136-140

A. Kratsch, F. Ehrenberg, S. Weißmantel:
Femtosekundenlasermikrostrukturierung mittels Phasenmaskenprojektion unter Verwendung eines Spatial Light Modulators,
In: Scientific Reports, Journal of the University of Applied Sciences Mittweida 4/2015, S. 100-105

Anfragen
Forschungsgruppenleiter
Prof. Dr. rer. nat. Steffen Weißmantel
Tel.: +49 (0) 3727 / 58-1449
Fax: +49 (0) 3727 / 58-21449
eMail: steffen.weissmantel(at)hs-mittweida.de

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Horst Exner
Tel.: +49 (0) 3727 / 58-1413
Fax: +49 (0) 3727 / 58-1867
eMail: exner(at)hs-mittweida.de