Die ultrakurzen Pulse sind immer danninteressant, wenn sehr präzise bearbeitetwerden soll. Die Pulsdauern ≤10 ps zu-sammen mit den möglichen, sehr hohenIntensitäten über 1010 W/cm2 bewirken,dass das bearbeitete Material nur sehrwenig thermisch belastet wird. Prädesti-niert sind UKP-Laser deshalb für dieBearbeitung von Materialien mit hoherWärmeleitfähigkeit wie Metall oderCarbon, aber auch, um Halbleiter undDielektrika zu bearbeiten, welche über-haupt erst bei den hohen Intensitäten ab-sorbieren. Ein Nachteil der UKP-Bear-beitung ist, dass Verdampfen wesentlichmehr Energie braucht als Verflüssigen.Um 1 mm3 Eisen flüssig zu machenbraucht es z.B. nur 7,6 J und damit fast10x weniger Energie als um dasselbeVolumen zu verdampfen, was 65,7 J be-nötigt. In heutigen industriellen Anwen-dungen, wie Laserschneiden oder Laser-schweißen, werden typisch einige10 mm3/s bearbeitet. Das bedeutet, dassUKP-Laser mit Kilowatt mittlerer Leis-tung notwendig sind, um bei der Präzisi-onsbearbeitung nur annähernd eine ähn-liche Produktivität zu erreichen.Die Skalierung zu Kilowatt mittlererLeistung erfolgt bisher bei UKP-Lasernin den meisten Fällen über die Frequenz:Um die Leistung von 100 W auf 1000 Wzu erhöhen wird bei konstanter Puls-energie von ca. 1 00 µJ die Repetitions-

Aspektverhältnis bis ca. 1 0, größereWerte wären oft sehr gewünscht.Aus physikalischer Sicht ist es sinnvoll,die möglichen Prozesse über die Fluenz(Pulsenergie pro Fläche) zu beschreiben.Aus Anwendersicht bedeutet das: Dergewünschte Prozess definiert die not-wendige Fluenz. Dabei wird im Folgen-den unterschieden zwischen der Laser-Fluenz, FLaser, (Pulsenergie dividiertdurch die Stahl-Querschnittfläche aufdem Werkstück) und der effektiven Flu-enz, FEff, (Pulsenergie dividiert durch dieeffektiv bestrahlte Fläche auf demWerkstück). Bei der Abtragsschwelle,d.h. bei der Schwell-Fluenz, Fth, beginntder Materialabtrag durch Verdampfen.Knapp unterhalb der Schwelle wird nurein dünner Flüssigkeitsfilm auf derOberfläche erzeugt, nahe der Abtrags-schwelle entstehen deshalb vor allemOberflächenmodifikationen. Soll dieOberfläche strukturiert werden, ist dieBearbeitungseffizienz optimal, wenn miteiner Fluenz von ca. 5-mal über der Ab-tragsschwelle gearbeitet wird, d.h. wennFLaser ≈ 5 x Fth [2] . Die Bedingungen fürdiese beiden Prozesse bedeuten, dass beigegebener Pulsenergie der korrekteStrahldurchmesser auf dem Werkstückbestimmt ist, oder umgekehrt, dass beider gewünschten Strukturgröße die rich-tige Pulsenergie festgelegt ist.Bei Bearbeitung auf der Oberfläche istdie effektive Fluenz in etwa gleich wiedie Laser-Fluenz. Beim Erzeugen tieferStrukturen, wie Bohrlöcher oder Nuten,nimmt aber die bestrahlte Fläche mit ca.2-mal dem Aspektverhältnis zu. Damitwird die effektive FluenzFeff ≈ FLaser / 2A. Soll z.B. ein 500 µmtiefes Loch mit einem Durchmesser von50 µm gebohrt werden, so ist am Endedes Bohrvorganges das maximaleAspektverhältnis Amax = 10. Die effektiveFluenz ist damit ca. 20-mal niedriger alsdie Laser-Fluenz. Gemäß vorigem Ab-schnitt sollte zudem auch am Ende derBohrung noch 5-mal über der Abtrags-schwelle gearbeitet werden. Die not-

rate des Lasers von 1 MHz auf 10 MHzerhöht. Auch am Institut für Strahlwerk-zeuge (IFSW) der Universität Stuttgarthaben die Laser-Entwickler im Rahmeneines vom BMBF-geförderten Projektesund in Zusammenarbeit mit Trumpfeinen Kilowatt-Pikosekunden-Laser auf-gebaut. Die Architektur des am IFSWdemonstrierten 1 ,4 kW UKP-Lasers [1 ]erlaubt erstmals, die mittlere Leistungauch über die Pulsenergie zu skalieren.In diesem Laser wird bei relativ niedri-gen Repetitionsraten von 300 kHz diePulsenergie durch eine geeignete Ver-stärkung bis auf 4,7 mJ erhöht. Wie üb-lich, haben beide Vorgehensweisen Vor-und Nachteile. Im Folgenden wird dis-kutiert, für welche Prozesse und Anwen-dungen Laser mit hohen Pulsenergienvon Interesse sind und erste Resultatezur Materialbearbeitung präsentiert.

Grundsätzliches

Die verschiedenen UKP-Prozesse kön-nen aufgeteilt werden zwischen Oberflä-chenbearbeitung (z.B. Modifizieren undStrukturieren) sowie Bearbeitung in dieTiefe (z.B. Bohren und Trennen). An derOberfläche ist das Aspektverhältnis, A,(die Strukturtiefe dividiert durch dieStrukturbreite) üblicherweise kleiner alseins, da die Strukturen meist nur wenigeMikrometer tief sind. Bohren und Tren-nen erfolgt demgegenüber oft bei einem

Produktive Materialbearbeitung mit kW-UKP-Lasern?Die Ultrakurzpuls-(UKP)-Laser-Technologie durchläuft zurzeit eine rasante Entwicklung. Dem großen Potential dieser

Technologie wurde mit dem Zukunftspreis 2014 öffentlichkeitswirksam Rechnung getragen. In den Labors stehen die

ersten UKP-Laser mit mittleren Leistungen über 1 kW. Braucht es die überhaupt? Und wie setzt man diese möglichst

effizient ein?

Abb. 1: Parameterraum für die UKP­Laser Materi­albearbeitung.

z.B. ein Loch mit einem Durchmesservon 100 µm gebohrt werden, so ist einAspektverhältnis von ca. 50 möglich,d.h. es kann ein 5 mm tiefes Loch ge-bohrt werden. Damit ist dieser Laser

besonders geeignet zum Erzeugen

tiefer Strukturen.3 .In vielen Anwendungen ist es nichtmöglich, an diese beiden Grenzenvorzustoßen. Was geschieht, wenn z.B.20 µm-Strukturen auf der Oberflächeerzielt werden sollten? Der Prozessbenötigt ca. 1 J/cm2, der Laser kannaber 1000 J/cm2 liefern. Die effizienteLösung ist, parallel zu bearbeiten. Indiesem extremen Beispiel kann derLaser in 1000 Teilstrahlen aufgeteiltwerden, um damit eine große Flächean vielen Orten gleichzeitig mit deroptimalen Fluenz zu bearbeiten. ErsteKonzepte wie das geschehen könntehat das ILT in Aachen mit der Kombi-nation von diffraktiver Optik undScanner bereits vorgestellt. Damit ist

dieser Laser besonders geeignet für

massiv parallele Bearbeitung.

Die orange Linie in Abbildung 1 zeigtzudem exemplarisch, wie schnell derVorschub in m/s sein muss, wenn bei den300 kHz nur ein einziger Puls pro Orterlaubt ist um sicher Wärmeakkumulati-on zu vermeiden. Hier sei angemerkt,dass bei der Bearbeitung mit 10 MHzdiese Linie noch 30x weiter oben liegt!In jedem Fall sind aber angesichts derhohen notwendigen Vorschübe auch neueAnsätze für die optische Systemtechnik(z.B. schnelle Scanner, Parallelkonzepte,Axikon-Optiken) unumgänglich.

Umsetzung mit dem IFSW-kw-ps-La-

ser

Abbildung 2 zeigt die Resultate aus ers-ten Experimenten mit dem kW-ps-Laser.Wird die Wärmeakkumulation [3] er-folgreich verhindert, kann CFK mit be-achtlicher Qualität getrennt werden (Bil-der oben) und das bei einem Netto-Vor-schub von 0,9 m/min. Die Oberflächevon Metallen und Glas wurde zudem mitsehr kurzen Bearbeitungszeiten struktu-riert (ca. 1 µm Abtrag in einem 100 x100 mm2 großen Feld in 4 s).Anfang 2015 wird der Kilowatt-Pikose-kunden-Laser in einer der IFSW-Bear-beitungsanlagen in Betrieb genommen.Als einzigartiges Lasersystem wird es

wendige Laser-Fluenz wird damit 100-mal die Schwell-Fluenz auf der Oberflä-che! Tiefe, schmale Strukturen benötigenalso eine sehr hohe Laser-Fluenz. Oderanders ausgedrückt limitiert die maxi-male zur Verfügung stehende Pulsenergiebei vorgegebener Strukturgröße die ma-ximal mögliche Bearbeitungstiefe.

Parameterraum für die UKP-Laser

Materialbearbeitung

Vor diesem Hintergrund lässt sich nundarstellen, für welche Prozesse und mitwelcher Prozessführung die hohen Puls-energien des IFSW-kW-ps-Lasers mög-lichst sinnvoll eingesetzt werden können,wie dies in Abbildung 1 dargestellt ist.(Ähnliche Überlegungen gelten natürlichauch für die Skalierung über die Fre-quenz auf 10 MHz.)Die x-Achse ist die zu erreichendeStrukturgröße, im Folgenden zur Verein-fachung gleich dem Fokusdurchmessergesetzt. Die dicke blaue Linie zeigt diemaximale Laser-Fluenz in J/cm2 (auf derlinken y-Achse), die mit dem IFSW-kW-ps-Laser erreicht werden kann. Die hori-zontale grüne Linie zeigt als Beispiel dietypische Schwell-Fluenz von 0,1 J/cm2

für Metalle bei ps-Bearbeitung. Für dieseSchwelle und den oben genannten Be-dingungen entspricht die Skaleneintei-lung der y-Achse gerade dem maximalerreichbaren Aspektverhältnis, Amax.Die roten Flächen entsprechen den Pro-zessen, so wie sie oben beschriebenwurden. Die Ausdehnung der Flächen istso gewählt, dass diese mit dem IFSW-Laser noch produziert werden können,d.h. dass die blaue Linie innerhalb derFläche liegt. Es ist an dieser Stelle wich-tig zu bemerken, dass der Laser nur danneffizient genutzt wird, wenn der Prozessauch tatsächlich auf der dicken blauenLinie umgesetzt wird. Dazu gibt es dreiMöglichkeiten:1 . Die Fluenz ist vorgegeben: Zum Bei-spiel bei Oberflächenmodifikation na-he der Schwelle durchquert die blaueLinie die rote Fläche ganz rechts amRand. Das bedeutet, dass mit einemPuls Strukturgrößen von fast 2 mm er-zeugt werden können! Damit ist die-

ser Laser ganz besonders für das

modifizieren großer Flächen geeig-

net.

2.Die Strukturgröße ist vorgegeben: Soll

auch für Projekte mit anderen For-schungslabors aber auch mit interessier-ter Industrie zur Verfügung stehen.Wesentlich mitbeteiligt an den hier prä-sentierten Resultaten - und damit auchpotentielle Ansprechpartner am IFSW -sind von der Mikro-Gruppe VolkherOnuseit (Gruppenleiter), Margit Wie-denmann, Anne Feuer und ChristianFreitag, sowie von der Laser-AbteilungJan-Philipp Negel und André Loescher.

Autor

Dr. Rudolf Weber ist Physiker und leitetam Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW)der Universität Stuttgart die Verfahrens-entwicklung.Mail: rudolf.weber@ifsw.uni-stuttgart.de

Literaturverzeichnis

1 . J. Negel et al. , “1 .1 kW average outputpower from a thin-disk multipass ampli-fier for ultrashort laser pulses,” OpticsLetters 38, (24), 5442-5445 (2013)2. B. Jaeggi et al. , „Influence of the Pul-se Duration in the ps-Regime on the Ab-lation Efficiency of Metals“, PhysicsProcedia 12 164–171 , (2011 )3. R. Weber et al. , „Heat accumulationduring pulsed laser materials proces-sing“, OE 22 (9), pp. 11 312 (2014)

Abb. 2: Erste Resultate aus der kW­ps­Bearbeitung am IFSW. Trennen von CFK(oben) und Oberflächenstrukturieren vonKupfer (unten links) und Glas (untenrechts).