Welche Schwerpunkte die Wissenschaftler am Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen hinsichtlich der Entwicklung von Ultrakurzpulslasern setzen und welche Möglichkeiten und Vorteile sich daraus ergeben, das erklärt Dr. Arnold Gillner, Leiter des Kompetenzfeldes Abtragen und Fügen am ILT.
Herr Dr. Gillner, wo liegen die Schwerpunkte der Forschung am ILT bei Ultrakurzpulslasern?
Das eine ist die Quellenentwicklung, also Hoch- und Höchstleistungslaserstrahlquellen mit Pulsdauern in der Größenordnung zwischen einigen hundert Femtosekunden bis zu einigen Pikosekunden. Aktuell haben wir dort im Labor eine mittlere Laserleistung von über einem kW erzielt. Wenn man bedenkt, dass kommerziell Leistungen von 50 W, von einigen Herstellern auch von 100 W und ein bisschen mehr angeboten werden, dann ist das schon etwas ganz besonderes.
Der zweite Schwerpunkt ist die Systemtechnik zum Ultrakurzpulslaser. Das sind ultraschnelle Strahlablenkung, Strahlmodifikation, multiple Parallelbearbeitung mit Laserstrahl, entsprechende Optiken dafür und optische Elemente, damit man auch die vielen hundert Watt Ultrakurzpulslaser auf die Straße bringt. Das ist nämlich gar nicht so einfach.
Gibt es noch weitere Schwerpunkte?
Ja. Ein dritter Aspekt ist die Laserverfahrensentwicklung unter Nutzung von Ultrakurzpulslasern. Schwerpunktmäßig ist dort das Abtragen zu nennen, also Strukturieren, Abtragen und Bohren, weil der Ultrakurzpulslaser eine fast athermische Bearbeitung erzielt. Normalerweise bringt die Laserbearbeitung immer Energie in das Werkstück ein. Je nachdem wie lang dabei der Laserpuls ist, verdampft man, man schmilzt oder man schweißt. Beim Abtragen würde man verdampfen. Es gibt dabei jedoch immer eine Restschmelzdicke, die bei längeren Pulsen durchaus einige µm groß sein kann. Bei ultrakurzen Laserpulsen liegt diese Restschmelzdicke, wenn man sich auf Metalle beschränkt, bei nur einigen hundert Nanometern, ist also praktisch vernachlässigbar klein. Und das ist der große Vorteil. Man kann, das kommt noch dazu, durch die extrem hohen Pulsleistungen eigentlich alle Materialien bearbeiten.
Heißt das, dass Ultrakurzpulslaser jetzt Bearbeitungen ermöglichen, die bisher nicht möglich waren?
Richtig. Wir haben hier eigentlich ein neues Werkzeug. Die großen Hersteller sehen darin eine neue Generation von Laserstrahlquellen kurz vor der industriellen Einführung. Es sind zwar schon industrielle Systeme im Einsatz, das ist sicherlich richtig, aber die Massendurchdringung ist heute sicher noch nicht da.
Sind die Ultrakurzpulslaser mit der Möglichkeit der „kalten“ Bearbeitung besonders für die Mikrotechnik mit sehr kleinen und dünnen Teilen prädestiniert?
Ja, solange man bei kleinen Pulsenergien und damit auch bei kleinen Leistungen bleibt.
Welche Rolle spielen Bewegungssysteme, wenn mit so feiner Fokussierung gearbeitet wird?
Wenn Sie die Vorteile von Ultrakurzpulslasern nutzen wollen, dann sollten Sie, wenn Sie eine hohe Genauigkeit im Abtrag erzielen wollen, eine maximale Pulsenergie nicht überschreiten. Und gleichzeitig sollten Sie sicher stellen, dass bei der Applikation der einzelnen Laserpulse, die sehr schnell hintereinander folgen können, sich die Pulse nicht wesentlich überlappen – geringfügig schon, aber nicht viel. Wenn dann Laserrepetitionsraten in der Größenordnung von einigen Megahertz auftreten, bedeutet das, dass Sie relativ hohe Scangeschwindigkeiten erzielen müssen. Da reichen Ihnen die klassischen Galvanometerscanner und schon gar nicht die achsbezogenen Bewegungssysteme aus. Deswegen befassen wir uns, wie schon angesprochen, intensiv mit optischen Strahlführungssystemen, mit Hochgeschwindigkeitsscannern, um den Laserstrahl sehr, sehr schnell auf die Oberfläche zu applizieren und scannen zu können. Zum Beispiel verwenden wir dort Hochleistungspolygonsysteme, mit denen man deutlich über 100 m/s Scangeschwindigkeit erzielt.
Warum ist die Strukturierung von so hoher Bedeutung?
Wenn Sie ein miniaturisiertes medizinisches Kunststoffbauteil wie beispielsweise ein Cochlea-Implantat oder eine implantierbare Dosiereinrichtung für Wirkstoffe betrachten, dann haben diese Teile relativ komplexe Strukturen. Für diese Mikrostrukturteile müssen Sie erst einmal das Spritzgusswerkzeug herstellen. Normalerweise kommt da die Erodiertechnik, also eine klassische Technologie, zum Einsatz. Mittlerweile kann man das aber auch sehr gut mit dem Laser machen. Das aber nur mit dem Ultrakurzpulslaser, weil Sie nur damit die Qualitäten erzielen können, die Sie auch beim Erodieren haben.
Es gibt auch Applikationen, wo Sie Oberflächen strukturieren, um bessere Oberflächenfunktionen zu erhalten, zum Beispiel zur Reibungsminimierung oder zur Erzeugung bestimmter Benetzungseigenschaften. Oder in anderen Fällen, wenn Sie optische Bauelemente mit einer Nanostruktur versehen, haben diese eine geringere Reflektion. Wir haben zum Beispiel Projekte, wo wir Glasfasern mit Ultrakurzpulslasern strukturieren, um ein spezifisches Streuvermögen der Glasfaser für einen medizinischen Applikator zu bekommen. Immer dann, wenn es um hohe Detailgenauigkeit geht, spielt der Ultrakurzpulslaser eine große Rolle.
Dr. Rolf Langbein Fachjournalist in Rottenburg
Teilen:
