Bearbeitung transparenter Materialien mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung

Durch die Fokussierung ultrakurz gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsdauer im Femto- oder Pikosekundenbereich wird eine hochpräzise Bearbeitung von der Oberfläche und des Volumens transparenter Materialien, wie beispielsweise Gläsern oder Kristallen ermöglicht.

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen University laserbasierte Verfahren zur Mikro- und Nanostrukturierung von transparenten Materielien.

Um transparente Materialien mittels Laserstrahlung abzutragen oder zu modifizieren, ist eine hinreichend große Energieabsorption der Laserstrahlung im Material notwendig. Durch die großen lokalen Intensitäten fokussierter ultrakurz gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsdauer < 10 ps, kann durch nicht-lineare Ionisationsprozesse ein dichtes Materialplasma erzeugt werden, das diese Absorption ermöglicht. Durch die per Laserstrahl eingebrachte Energie wird das Material stark erhitzt und in Abhängigkeit der gewählten Prozessparameter entweder abgetragen oder modifiziert. Da die notwendigen großen Intensitäten fast ausschließlich im Fokusvolumen der Laserstrahlung erreicht werden, können hochpräzise Strukturen mit Genauigkeiten < 1 μm selektiv im Volumen transparenter Materialien hergestellt werden. Ein Anwendungsbeispiel sind Markierungen im Volumen von Glaskörpern für die integrierte Optik, weitere Anwendungsfelder sind das Trennen oder Markieren von Glas.

Durch den sukzessiven Abtrag von Material kann Glas mittels ultrakurz gepulster Laserstrahlung getrennt werden. Durch eine entsprechende Fokussierung können sowohl die Ober- als auch die Unterseite des gläsernen Werkstücks gezielt und präzise abgetragen werden. Die Bearbeitungsresultate der beiden Prozessverfahren unterscheiden sich unter anderem hinsichtlich des Aspektverhältnisses der Schnittkanten. Für eine geeignete Wahl der Prozessparameter kann darüber hinaus die Qualität der Schnittkanten gezielt kontrolliert und so beispielsweise die Rauheit nach den jeweiligen Anforderungen eingestellt werden. Durch den Einsatz von Strahlquellen mit großen Pulswiederholungsraten kann Glas mit beliebiger Dicke von wenigen 10 μm bis zu mehreren Millimeter großflächig mit einer wirtschaftlichen Prozessdauer bearbeitet werden. Anwendung finden die genannten Verfahren beispielsweise in der Bearbeitung von Gläsern für die Unterhaltungselektronik.

Durch gezielte Fokussierung der ultrakurz gepulsten Laserstrahlung in das Volumen des transparenten Werkstoffs können Dichte und Brechungsindizes des Materials lokal verändert werden. Auf diese Weise lassen sich Beugungsgitter erzeugen, die im Volumen als Struktur erscheinen und deren Farbe sich mit dem Betrachtungswinkel verändert. Derartige Strukturen können mit dem »Werkzeug Licht« ohne eine Beschädigung der Oberfläche erzeugt werden und lassen sich unter anderem als manipulationssichere Sicherheitsmarkierung oder als Identifikationsnummer in der Logistik einsetzen. Ein hochpräzises Mikroscannersystem erlaubt dabei nahezu beliebige Designs des Gitters, das außerdem innerhalb weniger Sekunden im Glasvolumen hergestellt werden kann. Oberflächenmarkierungen und Lochstrukturen Die Kombination verschiedener Systemkomponenten wie zum Beispiel einem hochpräzisen Mikroscanner ermöglicht das Erzeugen nahezu beliebiger Strukturen durch Abtragen von Material. So können Oberflächenmarkierungen oder Anordnungen von eckigen Mikrolöchern in bis zu 100 μm dünnem, flexiblem Glas hergestellt werden. Die Mikrolöcher können als sogenannte »Interposer-Strukturen« in der Halbleiterelektronik-Branche eingesetzt werden.

Je nach Anwendung ist eine unterschiedliche Deposition der Energie der Laserstrahlung im Material notwendig. Um diese gezielt einstellen zu können, konzentrieren sich aktuelle Forschungsarbeiten auf die Modulation der räumlichen Strahlform des Laserstrahlung beispielsweise durch diffraktive optische Elemente oder sogenannte »Spatial Light Modulatoren «, die so gezielt eingestellt werden kann. Des Weiteren werden Optiksysteme zur Erzeugung mehrerer identischer Teilstrahlen entwickelt, um die Prozessgeschwindigkeit durch eine Parallelisierung des Bearbeitungsprozesses deutlich zu vergrößern.

Am Fraunhofer ILT steht eine Vielzahl von Ultrakurzpuls-Laserstrahlquellen verschiedener Hersteller zur Verfügung. Somit können wir unseren Kunden und Projektpartnern ein breites Parameterspektrum für unterschiedliche Bearbeitungsprozesse anbieten. Darüber hinaus verfügt das Fraunhofer ILT über hochpräzise Positionier- und Scannersysteme sowie Optiksysteme für eine schnelle Bearbeitung und Strahlformung.

• Mittlere Leistung P = 2 W - 400 W
  
• Repetitionsrate fRep = 1 Hz - 54 MHz
  
• Pulsdauer τ = 80 fs - 20 ps
  
• Wellenlängen λ = 266 nm - 2400 nm
  
• Mikroscanner mit Positioniergenauigkeit < 500 nm und Scangeschwindigkeit vScan > 100 mm/s
  
• Multibeamscanner-System zur Erzeugung mehrerer identischer Teilstrahlen für die Parallelbearbeitung