+49 (0) 3727 / 58-1242
Lasermesstechnik
Lasertechnologien
Lasermesstechnik
Hochpräzise Lasermesstechnik ist sowohl in der Forschung als auch in der Industrie unverzichtbar. Sie kommt in verschiedenen Anwendungen des Qualitätsmanagements und der kontinuierlichen Analyse dynamischer Prozesse zum Einsatz. Am LHM nutzen wir zeitaufgelöste Lasermesstechniken, um schnelle bis ultraschnelle Prozesse zu untersuchen. Dafür erweitern wir bestehende Verfahren oder entwickeln völlig neue innovative Konzepte, um aktuelle technische und wissenschaftliche Herausforderungen zu bewältigen.
Zeitaufgelöste Lasermesstechniken ermöglichen die berührungslose Charakterisierung dynamischer Prozesse wie Laserschweißen, Laserschneiden und Laserablation. Unser Ziel ist es, relevante Prozessparameter zu erfassen, um mögliche Abweichungen in laufenden Prozessen nachvollziehbar zu machen. Zudem nutzen wir diese Techniken zur Charakterisierung neuer Prozesse, um kritische Prozessparameter zu optimieren und so stabile Abläufe zu gewährleisten.
Die vielseitigen Eigenschaften von Laserstrahlung, einschließlich der Anpassungsmöglichkeiten in Bezug auf Wellenlänge, Pulsdauer und Fokussierung, erlauben uns die Untersuchung sowohl makroskopischer als auch mikroskopischer Prozesse. Dabei können wir Prozesse in extrem kurzen Zeitspannen (von Femtosekunden bis Pikosekunden) genauso untersuchen wie solche, die wesentlich längere Zeiträume (von Nanosekunden bis Stunden) umfassen.
Abbildende Pump-Probe-Ellipsometrie
Das selbst entwickelte abbildende Pump-Probe-Ellipsometer des LHM ermöglicht eine zeitaufgelöste Messung der transienten optischen Eigenschaften eines Materials während und nach der Anregung mit Laserstrahlung. Dies ermöglicht die systematische Untersuchung der physikalischen Prozesse bei der Laserstrahlung-Materie-Wechselwirkung und die Validierung von theoretischen Modellen.
Kenngrößen: spektraler Bereich Probestrahlung: 400 nm - 900 nm, spektraler Bereich Pumpstrahlung: 260 nm - 14 µm, zeitliche Auflösung: 40 fs, maximaler zeitlicher Bereich: 100 µs, laterale Auflösung: ca. 1 µm
Werkstoffe: beliebig (u.a. Metalle, Halbleiter, Dielektrika, Schichtsysteme), Rauheit kleiner λ/3
Pump-Probe-Ellipsometer des LHM zur orts- und zeitaufgelösten Messung optischer Eigenschaften und Eigenschaftsänderungen.
Ortsaufgelöst ermittelte Brechungsindizes und die daraus resultierende Änderung des Reflexionsgrades einer bestrahlten Goldoberfläche bei 420 nm.
Orts- und zeitsaufgelöst ermittelte Brechungsindizes und die daraus resultierende Änderung des Reflexionsgrades einer bestrahlten Goldoberfläche bei 420 nm.
Abbildende Pump-Probe-Reflektometrie
Im Gegensatz zur Ellipsometrie ermöglicht die Pump-Probe Reflektometrie keine eindeutige Bestimmung des komplexen Brechungsindexes eines laserangeregten Materials. Da die Messzeit der Pump-Probe-Reflektometrie aber etwa 20-mal geringer ist als bei einer vergleichbaren Ellipsometriemessung und die Reflektometriemessungen auch bei stark streuenden Oberflächen interpretierbar sind, bietet die Pump-Probe-Reflektometrie eine schnelle und robuste Alternative zur Charakterisierung der Prozesse während der laserinduzierten Ablation.
Kenngrößen: spektraler Bereich Probestrahlung: 400 nm - 900 nm, spektraler Bereich Pumpstrahlung: 260 nm - 14 µm, zeitliche Auflösung: 40 fs, maximaler zeitlicher Bereich: 100 µs, laterale Auflösung: ca. 1 µm
Werkstoffe: beliebig (u.a. Metalle, Halbleiter, Dielektrika, Schichtsysteme)
Pump-Probe-Reflektometer des LHM zur orts- und zeitaufgelösten Messung von Reflexionsgraden und Reflexionsgradänderung für senkrechten Einfall.
Änderung des Reflexionsgrades einer Siliziumoberfläche nach der Bestrahlung mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung.
Ortsaufgelöst ermittelte Änderung des Reflexionsgrades einer bestrahlten Siliziumoberfläche bei 500 nm.
Fluenzabhängige interpretation der gemessenen Reflexionsgradänderung durch vergleich mit temperaturabhängigen Besetzungszahlen innerhalb der Bandstruktur.
Abbildende Pump-Probe-Interferometrie
Pump-Probe-Interferometrie ermöglicht die eindeutige Bestimmung der Phasenverschiebung der Probelaserstrahlung bei Reflexion an einem laserangeregten Material. Durch Kombination mit theoretischen Computersimulationen kann aus der orts- und zeitaufgelösten Phasenverschiebung die transiente Ablationstopographie ermittelt werden.
Kenngrößen: spektraler Bereich Probestrahlung: 400 nm - 900 nm, spektraler Bereich Pumpstrahlung: 260 nm - 14 µm, zeitliche Auflösung: 40 fs, maximaler zeitlicher Bereich: 100 µs, laterale Auflösung: ca. 1 µm
Werkstoffe: beliebig (u.a. Metalle, Halbleiter, Dielektrika, Schichtsysteme)
Schematischer Aufbau des Pump-Probe-Setups (a) zur Generierung von ultrakurz gepulster Pump- und Probe-Laserstrahlung, die in das abbildende Pump-Probe-Interferometer (b) eingekoppelt werden.
Oben: Exemplarische Messung und Rekonstruktion eines Interferograms, welches durch die Anregung und anschließende Ablation einer dünnen Goldschicht mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung entsteht. Unten: Anhand der Experimentell bestimmten Phasenverschiebung kann die transiente Topographie der Materialoberfläche während der Ablation rekonstruiert werden.
Abbildende Plasmaspektroskopie
Die Kombination eines abbildenden Spektrographen (Isoplane, Teledyne PI) mit einer emiCCD Kamera (PI-Max4, Teledyne PI) ermöglicht die ortsaufgelöste und zeitgleich spektrale Charakterisierung eines laserinduzierten Plasmas mit hoher zeitlicher Auflösung im Subnanosekundenbereich. Der abbildende Spektrograph basiert auf dem Schmidt-Czerny-Turner-Prinzip, wodurch Abbildungsfehler auf ein Minimum reduziert werden.
Kenngrößen: spektraler Bereich: 200 nm - 900 nm, minimale spektrale Auflösung: 30 Pixel/nm, zeitliche Auflösung: 200 ps, maximaler zeitlicher Bereich: einige Millisekunden, laterale Auflösung: ca. 1 µm
Werkstoffe: beliebig
Abbildenden Spektrograph Isoplane, Teledyne PI mit einer emiCCD Kamera (PI-Max4, Teledyne PI).
Emissionsspektrum des Plasmaleuchtens bei der Bearbeitung von Aluminium mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung bei verschiedenen Auflösungen.
Schematischer Zusammenhang zwischen Ortauflösung, Spaltbreite und spektraler Auflösung.
Prozessanalyse während der Lasermaterialbearbeitung
In der Materialbearbeitung ruft die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Material diverse Phänomene hervor, wie die Erzeugung von Plasmen oder der Partikelemission. Durch verschiedenste Verfahren, z.B. Pump-Probe-Fotografien, Spektroskopie (VIS-, UV-, Röntgenstrahlung) und Thermografie, kann die Ausbreitung der Partikel oder die Strahlungsemission des Plasmas betrachtet werden. Anschließend können die gewonnen Informationen zur Prozessanalyse, -charakterisierung, -steuerung oder -optimierung genutzt werden.
Spektroskopische Messung von laserinduzierter Röntgenstrahlung bei der Ultrakurzpulslaserbearbeitung.
Pump-Probe-Schattenfotografie bei der Hochrate-Laserbearbeitung von eloxiertem Aluminium mit 300 m/s Ablenkgeschwindigkeit (links nach rechts) und 2 MHz Wiederholrate.
Zusammenstallung von Schattenfotografien während der Edelstahlbearbeitung mittels Ultrakurzpulslaser.
Weitere Verfahren
Neben den zeitaufgelösten Verfahren steht am LHM eine Vielzahl weiterer Messverfahren zur Materialanalyse (u.a. abbildende Ellipsometrie, Zerstörschwellenmessung, Absorptionsmessung, Messung von Reflexion, Transmission und Streuung) und zur Strahlanalyse (u.a. Laserstrahlcharakteriesierung, Diffraktometrie) zur Verfügung.
Lasermesstechnik
Unser Video-Portal
Ultraschnelle Ellipsometrie
YouTube Video
Mit dem Abspielen des Videos erklären Sie sich mit unseren Datenschutzbestimmungen einverstanden. Wenn Sie das Video abspielen, werden Daten an den jeweiligen Anbieter übertragen.