Praktikumsanleitung für den Lehrversuch Version PAM · 2016. 6. 13. · Lasermaterialbearbeitung...

Hochschule München Fakultät 06 Laserzentrum Prof. H. Huber

Erstellt von: Jonas Kleiner SS2010

Lasermaterialbearbeitung

Praktikumsanleitung für den Lehrversuch

Version PAM


Version 1.4 PAM

J. Kleiner / Dr. G. Heise Seite 2

INHALT

Praktikumsteil 1: Materialbearbeitung mit Nanosekundenlasern ...................................... 4

Ziele und Inhalte des Praktikums ....................................................................................... 4

Vorbereitung des Praktikums ............................................................................................. 4

Antestat und Vorbesprechung ............................................................................................ 5

Durchführung des Praktikums ........................................................................................... 7

Praktikumsteil 2: Materialbearbeitung mit Pikosekundenlasern ....................................... 8

Ziele und Inhalte des Praktikums ....................................................................................... 8

Vorbereitung des Praktikums ............................................................................................. 8

Antestat und Vorbesprechung ............................................................................................ 9

Durchführung des Praktikums ........................................................................................... 9

Praktikumsteil 3:Konfokalmikroskop .................................................................................. 11

Ziele und Inhalte des Praktikums ..................................................................................... 11

Vorbereitung des Praktikums ........................................................................................... 11

Antestat und Vorbesprechung .......................................................................................... 11

Durchführung des Praktikums ......................................................................................... 12

Allgemeines zur Lasermaterialbearbeitung ...................Fehler! Textmarke nicht definiert.

Ausarbeitung der Versuchsergebnisse ................................................................................. 13

Anhang .................................................................................................................................... 14

1. Formeln ....................................................................................................................... 14

2. Schwellwertverhalten, Bestimmung der Schwellfluenz .......................................... 15

3. Lasereigenschaften ..................................................................................................... 18

4. Thermodynamische Eigenschaften ........................................................................... 19

Quellen ................................................................................................................................. 20


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In diesem Praktikum wird das Abtragsverhalten (Ablation) von Kupfer und Stahl bei Bestrahlung mit Nano- und Pikosekundenlasern untersucht und verglichen. Die Bearbeitungsergebnisse werden mikroskopisch analysiert um damit die Ablationsschwellen (Energie pro Fläche) für den beginnenden Materialabtrag verschiedener Metalle zu bestimmen. Weiterhin soll die Effizienz und die Qualität von Nano- und Pikosekundenlaserbearbeitung verglichen werden. Hierzu werden die Bearbeitungsergebnisse im dritten Praktikumsteil am Konfokalmikroskop geometrisch vermessen. Als eine beispielhafte Anwendung werden mit dem Nanosekundenlaser Löcher in Stahl trepaniert.


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Praktikumsteil 1: Materialbearbeitung mit Nanosekundenlasern Ziele und Inhalte des Praktikums

• Nanosekundenlaser in der Materialbearbeitung • Ablationsverhalten verschiedener Metalle • Beispiele der Materialbearbeitung: Strukturieren und Trepanierbohren • Optische Messmethoden, Umgang mit Bildverarbeitung • Statistische Datenauswertung

Vorbereitung des Praktikums

Um ein flüssiges Arbeiten während des Praktikums zu ermöglichen, ist es unerlässlich die Praktikumsanleitung inklusive der einzelnen Arbeitsschritte im Voraus zu studieren. Zudem sind folgende Themengebiete für das Verständnis und die Durchführung des Praktikums relevant und sollen vorbereitet werden. Themengebiet Details 1. Nd:YAG Laser 4 Niveau-System, Termschema, optische Übergänge, optisches

Pumpen, Besetzungsinversion, Laseraktion 2. Güteschaltung Prinzip, akustooptischer Güteschalter, Messung kurzer Pulse 3. Resonator Pulsdauer, Strahlqualität 4. Interaktion Laser-Material Mechanismus der Energieeinkoppelung, Bohrverfahren

Als Quellen für die Vorbereitung kann der Anhang und das dort befindliche Quellenverzeichnis dienen. Neben einem Überblick über die oben genannten Themengebiete sollen auch die Testatfragen, die sich auf den nächsten Seiten befinden, gezielt vorbereitet werden.

WICHTIGER HINWEIS ZUM UMGANG MIT DEN LASERN IM PRAKTIKUM

Der verwendete Laser emittiert im infraroten Spektralbereich bei 1064 nm (nicht sichtbar) mit bis zu 60 Watt Dauerleistung und einer maximalen Pulsenergie von 11 mJ bei einer Pulsdauer von 150 ns: Vorsicht! Vermeiden Sie jeglichen Kontakt mit dem Laserstrahl und tragen Sie unbedingt die bereitgestellten Schutzbrillen. Um am Praktikum teilnehmen zu können muss der Nachweis über die Teilnahme an der jährlichen Sicherheitunterweisung zum Thema Laserstrahlung vorgezeigt werden. Teilnehmer des Praktikums werden aufgefordet, selbst darauf zu achten, dass sie geeignete Schutzausrüstung (insbesondere Schutzbrillen) verwenden.


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Antestat und Vorbesprechung

Folgende Fragen sollen beantwortet werden:

1- Welche Brennweite f muss eine Linse jeweils haben um mit folgenden Lasern einen Fokusradius w0 von 50 µm zu erreichen? CO2-Laser: �� 1; � � 10,6 µm; Rohstrahldurchmesser 2� � 4 mm Nd:YAG-Laser: �� 8; � � 1,06 µm; Rohstrahldurchmesser 2� � 4 mm

2- Gegeben sind die Leistung P = 2 W und der Strahlfleckdurchmesser 2w0 = 80 µm eines Lasers. Berechnen Sie Pulsenergie EP und Fluenz � �J cm��⁄ sowie Pulsspitzenleistung �� und die dazugehörige Intensität � (angenommen es handelt sich um einen Rechteckimpuls) für Pulslängen von 200 ns und 10 ps und einer Repetitionsrate fRep = 1 kHz. Vergleichen Sie die Intensitäten mit der eines Lasers, der cw-betrieben wird. (zum Vergleich: Unfokussiertes Sonnenlicht hat eine Intensität von �� 0,1367 �

��)

3- Was versteht man unter Schwellwertverhalten? Abbildung 1 zeigt die typische

Intensitätsverteilung eines gaußschen Laserstrahls logarithmisch aufgetragen. Zeichnen Sie den Intensitätsbereich in das Strahlprofil links ein, der für die Wirkung in Abbildung 1 rechts verantwortlich ist. Was passiert mit der Energie „unterhalb“ und „oberhalb“ der Schwelle? Wodurch wird die Höhe der Schwellintensität, wodurch die der Schwellfluenz bestimmt? (siehe Abbildung 3 im Anhang)

Abbildung 1: Typ. Intensitätsverteilung eines Laserstrahlprofils (links); Aufschmelzung durch Beschießen einer Stahloberfläche mit einem einzelnenNanosekunden-Laserpuls (rechts).

� � Wcm�!

10�

10"

10#

10$

% �μm�


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4- Warum werden Pulse zur Lasermaterialbearbeitung oft wie in Abbildung 2 dargestellt geformt?

Abbildung 2: Intensität eines Einzelpulses in Abhängigkeit der Zeit

t [s]

I [W/cm²]


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Durchführung des Praktikums

HINWEIS: Bringen Sie nach Möglichkeit einen USB-Stick zur Speicherung Ihrer im Praktikum ermittelten Daten mit.

Allgemeine Hinweise Technische Anwendung findet die Lasermaterialbearbeitung unter anderem beim Bohren und Abtragen von Material (Strukturieren). Zur Bestimmung der Schwellfluenz �thr, ab der ein Materialabtrag stattfindet, sollen in den folgenden Versuchen Einzelpulsablationen (Spots) auf Kupfer- und Stahlproben erzeugt und untersucht werden. Die ermittelte Schwellfluenz �thr soll dazu verwendet werden, das Strukturieren von Gräben auf den Metallproben zu optimieren. Als beispielhafte Anwendung wird das Trepanieren von unterschiedlichen Lochgeometrien und -größen durchgeführt.

Zur Verfügung stehende Messmittel und Geräte - Rofin Sinar RSM 25Q: Lampengepumpter Nd:YAG-Laser (weitere Informationen und

Daten befinden sich im Anhang) - Laserleistungsmessgerät COHERENT Labmaster - E - Mikroskop mit Kamera - Glasmaßstab zur Mikroskopkalibrierung - Software zur Aufnahme von Bildern (IC Capture 2.0) - Software zur Vermessung der Spots (ImageJ)

Arbeitsschritte I. Messung der Pulsenergie EP des Lasers in Abhängigkeit des Pumpstroms I

von 0,2 mJ bis 2,0 mJ in 10 Schritten *+,- . 0,2 mJ/ mit Hilfe des Leistungsmessgeräts bei einer Repetitionsrate fRep = 1 kHz.

II. Einstellung des Fokus (Wie genau lässt sich der Fokus einstellen?) III. Herstellung jeweils einer Spotreihe pro ermitteltem Pumpstrom aus I. in Stahl und

in Kupfer. Abstand der Spotmittelpunkte zueinander: 200 µm (Hinweis: Ermitteln Sie die zugehörige Scangeschwindigkeit bei der Repetitionsrate fRep = 1 kHz)

IV. Aufnahme von 3 Spots pro hergestellter Reihe mit dem Mikroskop (IC Capture 2.0; 10fach-Objektiv; 3 Spots pro Bild). Abspeichern EINES charakteristischen Ergebnisses für die Ausarbeitung.

V. Kalibrierung des Mikroskops mit Hilfe des Glasmaßstabs VI. Zu Hause: Vermessung der Spotdurchmesser 01234 mit ImageJ (3 Messungen pro

Fluenzwert) VII. Zu Hause: Eintragen der gemessenen Werte in das Liu-Template und Berechnung

der Schwellpeakfluenz �56% Für die folgenden Versuche wird Ihnen ein ungefährer Schwellwert vom Betreuer genannt: �56% =

VIII. Strukturieren von Linien in Stahl bei einer Repetitionsrate fRep = 1 kHz und vier Pulsen pro Position 74ppp � 75 % Overlap �@ AB�CD E 18mm s⁄ G

• bei � � 1 H �thr • bei � � 3 H �thr • bei � � 5 H �thr • bei � � �max • zweifache Bearbeitung bei � � �max2 • vierfache Bearbeitung bei � � �max4


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Praktikumsteil 2: Materialbearbeitung mit Pikosekundenlasern HINWEIS: Bringen Sie nach Möglichkeit einen USB-Stick zur Speicherung Ihrer im Praktikum ermittelten Daten mit.

Ziele und Inhalte des Praktikums

• Pikosekundenpulslaser in der Materialbearbeitung • Ablationsverhalten verschiedener Metalle • Beispiele der Materialbearbeitung: Strukturieren • Optische Messmethoden, Umgang mit Bildverarbeitung • Statistische Datenauswertung


Folgende Themengebiete sind für das Verständnis und die Durchführung des Praktikums relevant. Deshalb sollten sie für das Praktikum vorbereitet werden. Themengebiet Details 1. Kurzpulslaser aktives Medium, Modenkopplung 2. Regenerativer Verstärker Pulsenergie, Spitzenleistung 3. Wärmetransport Wärmeleitungsgleichung und thermische Eindringtiefe,

Materialeigenschaften Als Quellen für die Vorbereitung kann der Anhang und das dort befindliche Quellenverzeichnis dienen. Neben einem Überblick über die oben genannten Themengebiete sollen auch die folgenden Testatfragen gezielt vorbereitet werden.

WICHTIGER HINWEIS ZUM UMGANG MIT DEN LASERN IM PRAKTIKUM

Der verwendete Laser emittiert im infraroten Spektralbereich (bei 1064 nm) mit Leistungen bis zu 30 W und Pulsenergien bis 0,3 mJ bei einer Pulslänge von 10 ps. Vorsicht! Vermeiden Sie jeglichen Kontakt mit dem Laserstrahl und tragen Sie unbedingt die bereitgestellten Schutzbrillen. Um am Praktikum teilnehmen zu können muss der Nachweis über die Teilnahme an der jährlichen Sicherheitunterweisung zum Thema Laserstrahlung vorgezeigt werden. Teilnehmer des Praktikums werden aufgefordet, selbst darauf zu achten, dass sie geeignete Schutzausrüstung (insbesondere Schutzbrillen) verwenden.


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Folgende Fragen sollen für den Praktikumsteil 2 beantwortet werden:

5- Erklären Sie kurz, wie Laserstrahlung mit Pulslängen im Pikosekundenbereich erzeugt wird.

6- Erläutern Sie Abbildung 6. Wie wird gemessen? Was ist dargestellt?

7- Erklären Sie welche Eigenschaften der Laserstrahlung und welche des Materials sich positiv auf den Ablationsprozess auswirken. (Hinweis: für Verdampfung muss +J K)

8- Erläutern Sie was Sie unter der thermischen Eindringtiefe verstehen. Berechnen Sie für Kupfer und Eisen die thermische Eindringtiefe L4M für Pulslängen N-OPB � 10 ps bzw. 200 ns.


Allgemeine Hinweise Zum Vergleich der Materialbearbeitung mit Nanosekundenlasern sollen im Folgenden mit einem Pikosekundenlaser ebenfalls die Ablationsschwellen von Stahl und Kupfer mittels Einzelpulsablationen bestimmt und zum Vergleich der Effizienz Linien strukturiert werden. Zur Verfügung stehende Messmittel und Geräte

- HighQ picoREGEN UC-1064-30000: modengekoppelter Nd:YVO4-Laser (weitere Informationen und Daten befinden sich im Anhang)

- Software zur Ansteuerung des Lasers - Laserleistungsmessgerät - Schieblehre - Mikroskop mit Kamera - Software zur Ansteuerung des Mikroskops und zur Vermessung der Spots


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Arbeitsschritte I. Fokussuche (Wie genau lässt sich der Fokus einstellen?) II. Herstellung mehrerer Spotreihen auf den Stahl- und Kupferproben bei einer

Repetitionsrate fRep = 1 kHz und unterschiedlichen Pulsenergien. III. Aufnahme und Vermessung der Durchmesser DSpot der Einzelpulsablationen mit

dem Mikroskop (jeweils drei Messungen pro Fluenzwert). Abspeichern EINES charakteristischen Bildes für die Auswertung.

IV. Zu Hause Eintragen der gemessenen Werte in das Liu-Template und Berechnung der Schwellpeakfluenz �4MV. Für die folgenden Versuche wird Ihnen ein ungefährer Schwellwert vom Betreuer genannt: �56% =

V. Strukturieren von Linien in Stahl bei einer Repetitionsrate fRep = 1 kHz und 50 Pulsen pro Position (50 ppp)

• bei � � 1 H �thr • bei � � 3 H �thr • bei � � 6 H �thr • bei � � �max • zweifache Bearbeitung bei � � Wmax2

• dreifache Bearbeitung bei � � Wmax3

• vierfache Bearbeitung bei � � Wmax4

• fünffache Bearbeitung bei � � Wmax5

VI. Reinigen der Probe mit Isopropanol


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Praktikumsteil 3: Konfokalmikroskop HINWEIS: Bringen Sie nach Möglichkeit einen USB-Stick zur Speicherung Ihrer im Praktikum ermittelten Daten mit.

Ziele und Inhalte des Praktikums

• Konfokalmikroskopie • Bestimmung geometrischer Abmessungen im µm- und nm-Bereich


Folgende Themengebiete sind für das Verständnis und die Durchführung des Praktikums relevant. Deshalb sollten sie für das Praktikum vorbereitet werden. Themengebiet Details 1. Konfokalmikroskop Funktionsweise des konfokalen Mikroskops, maximales

Auflösungsvermögen (horizontal und vertikal) 2. Alternative Messmethoden Mechanisches Profilometer, AFM, REM


Folgende Fragen sollen für den Praktikumsteil 3 beantwortet werden:

9- Worin unterscheidet sich das Konfokalmikroskop von einem „normalen“ Lichtmikroskop? Erläutern Sie die Funktionsweise.

10- Nennen Sie Vor- und Nachteile des Verfahrens gegenüber: - mechanischem Abtasten - REM (Rasterelektronenmikroskop) - AFM (engl. atomic force microscope, Rasterkraftmikroskop)


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Allgemeine Hinweise Bei der Materialbearbeitung spielt die Effizienz eines Bearbeitungsverfahrens eine wichtige Rolle. Um die Abtragseffizienz (Volumenabtrag pro Zeit beziehungsweise Energieeinheit) von Nano- und Pikosekundenlasern miteinander vergleichen zu können, sollen im Folgenden alle in den Praktikumsteilen 1 und 2 hergestellten Strukturierungen vermessen werden. Zur Verfügung stehende Messmittel und Geräte

- Konfokales Mikroskop SENSOFAR PLµ2300 - Software zur Ansteuerung des Mikroskops und zur Vermessung der Strukturierungen

(PLµ Optical Imaging Profiler)

Arbeitsschritte I. Aufnahme des 3D-Profils der Strukturierung II. Nivellierung der Oberfläche III. Auswahl eines Charakteristischen 2D-Profils des Grabens IV. evtl. Nivellierung des 2D-Profils V. evtl. Anpassung der Skalierung (Scale → Peak to Valley) VI. Vermessung von Breite und Tiefe des Grabens zur späteren Bestimmung des

Volumens (hierzu wird ein Dreieck als Grabenprofil angenommen) VII. Abspeichern des 3D-Profils als jpg-file zum späteren Vergleich der Rauigkeit im

Graben


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Ausarbeitung der Versuchsergebnisse Besonderer Wert wird auf die physikalisch sinnvolle Aufbereitung der Ergebnisse, Anpassung geeigneter Modellfunktionen und hinreichende Genauigkeiten der Auswertung gelegt. Werden Größen aus gemessenen Werten berechnet, dann sind die zugrunde liegende Formel und (nach Möglichkeit) die zugehörige Quelle zu nennen. Weniger wichtig sind lange verbale Beschreibungen und aufwendige graphische „Spielereien“. Die Ausarbeitung soll aus folgenden Teilen bestehen:

- Titelblatt und Inhaltsverzeichnis - Verbale Kurzbeschreibung des Versuchs - Schriftliche Beantwortung der Testatfragen - Folgende Aufgaben zu ihren Messergebnissen:

1. Vermessung der Spotdurchmesser 01234 mit ImageJ (3 Messungen pro Fluenzwert) 2. Eintragen der gemessenen Werte in das Liu-Template und Berechnung der

Schwellpeakfluenz �56% 3. Ermitteln Sie den Taillenradius �� des Laserstrahls und die Schwellpeakfluenz �4MV

der verwendeten Materialien mit den unterschiedlichen Laserquellen (Hinweis: LIU-Fit). Stellen Sie Ihre Messwerte graphisch dar (vier Graphen) und Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse. Wie genau wurde der Fokus während des Praktikumversuchs bestimmt?

Abschätzung: Wie stark ändert sich das Verhältnis � ��X 7�� Y maximale IntensitätG am Ort ]� ^ 0,1]_; ]� ^ 0,5]_; ]� ^ ]_. Diskutieren Sie diesen Sachverhalt in Bezug auf Ihre Ergebnisse.

4. Bestimmen Sie die zeitliche und energetische Abtragseffizienz [mm³/s, mm³/J, g/J] für alle erzeugten Strukturierungen. Welche Versuchsführung ist am effizientesten? Würden Sie für die Ablation bei gleicher mittlerer Leistung eher Laser mit a) hoher Pulsenergie und niedriger Repetitionsrate oder b) niedriger Pulsenergie und hoher Repetitionsrate wählen? Begründen Sie Ihre Antwort. Wie wirkt sich mehrfaches Überfahren aus? (Rauigkeit) Vergleichen Sie die Ergebnisse der Strukturierungen in Stahl, die Sie mit dem Pikosekundenlaser hergestellt haben mit Ihren Berechnungen zum Ablationsoptimum. Woher resultiert die Abweichung?

5. Schätzen Sie thermodynamisch (siehe Tabelle 3) die Energie E ab, die benötigt wird um die von Ihnen erzeugten Gräben herzustellen (angenommen das Material wird vollständig verdampft). Wählen Sie für Ihre Abschätzung für Piko- und Nanosekundenlaser jeweils den Graben mit der besten Effizienz aus. Vergleichen Sie mit der jeweils tatsächlich eingesetzten Energie. Woher kommt der Fehlbetrag?

6. Beschreiben Sie als Ergebnis Ihrer Versuche die Unterschiede zwischen Nanosekunden- und Pikosekundenablation. Wo liegen jeweils die Vor- beziehungsweise Nachteile?


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Anhang 1. Formeln

Bezeichnung Formelzeichen Einheit

Leistung: Energie pro Zeit � W

Intensität (Bestrahlungsstärke): Leistung pro Fläche � W m²X

Bestrahlung (Fluenz): Strahlungsenergie pro Fläche, � � abac � J m²X

Absorptionskoeffizient d 1 mX

Divergenzwinkel (halber Öffnungswinkel) e mrad

Strahlradius gbei Intensitätsabfall auf jk�l � m

Taillenradius gbei Intensitätsabfall auf jk�l �� m

Beugungsmaßzahl M� 1

Rayleighlänge ]_ m

Pulsdauer N-OPB s Durchmesser der Ablation pro Puls 01234 m

Probentemperatur J- K

Schmelztemperatur J� K

Verdampfungstemperatur Jo K

spezifische Wärmeleitfähigkeit p4M WK m

thermische Eindringtiefe L4M � q4rstuu5 m² Temperaturleitfähigkeit rstuu � p4Mv w2 m� sX

Dichte v kg m³X

spezifische Wärmekapazität w2 Jkg K

spezifische Schmelzenthalpie {� J gX

spezifische Verdampfungsenthalpie {o J gX

Tabelle 1: Symbolverzeichnis (Die Formelzeichen weichen teilweise von der Norm ab, werden aber in dieser Anleitung, falls nicht anders angegeben, wie oben verwendet)


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2. Schwellwertverhalten, Bestimmung der Schwellfluenz

Wie in Abbildung 3 zu erkennen ist, treten bei unterschiedlichen Intensitäten unterschiedliche

Wechselwirkungen des Laserstrahls mit dem zu bearbeitenden Material auf. Zur abtragenden

Bearbeitung ist es notwendig die Probe mit Intensitäten oberhalb einer bestimmten

materialabhängigen Schwelle zu bestrahlen. Unterhalb dieser Schwelle kommt es nicht zum

Materialabtrag, das Material wird lediglich erwärmt oder aufgeschmolzen. Oberhalb der

Schwelle verdampft das Material ganz oder teilweise und wird aufgrund des durch das

expandierende Gas entstehenden Drucks aus der Wechselwirkungszone befördert.

Abbildung 3: Wechselwirkungen des Laserstrahls mit dem Werkstück abhängig von der eingestrahlten Intensität. Mit Veränderung der Intensität treten Veränderungen in der Wechselwirkungszone auf und auch der Mechanismus der Energieeinkopplung ändert sich.


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Abbildung 4: Dreidimensionale Darstellung der Gaußverteilung mit der Peakfluenz |}, der Schwellpeakfluenz |~�� und den dazugehörenden Durchmessern � beziehungsweise ��} [1].

In der Materialbearbeitung wird auch häufig der Begriff der Fluenz verwendet, die sich bei konstanter Pulsdauer als Energie pro Fläche bestimmen lässt. Zur Bestimmung der Schwellfluenz �4MV, oberhalb derer Materialabtrag stattfindet, wird folgender Zusammenhang zwischen dem Radius des Ablationsflecks % und der eingestrahlten Spitzenfluenz �� genutzt:

�7%G � �� (01)

Betrachtet man den Radius %4MV, innerhalb dessen es zur Ablation kommt und für den gilt

�7%4MVG � �4MV (02)

so gilt für alle % � %4MV: �7%G � �4MV (03)

Somit kann man auch schreiben:

�4MV � �� (04)

Dieser Zusammenhang gilt bei gaußförmiger Intensitätsverteilung, das heißt für Laserstrahlen mit M� . 1 �2�. Weiterhin folgt:

ln gW��W� l � �2�� (05)

%4MV� � �� ln gW��W� l (06)

04MV� � 2�� ln7��G � 2�� ln7�4MVG (07)

�4MV jk� ��

2�� 04MV7�4MVG

��


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Werden nun die Durchmesser von Einzelpulsablationen quadriert gegen die logarithmierte

Spitzenfluenz aufgetragen, lässt sich aus einer Ausgleichsgeraden durch die Messwerte über

einen einfachen Koeffizientenvergleich von (07) mit (08) sowohl der Radius w des

Laserstrahls auf der Probe wie auch die Schwellpeakfluenz �4MV berechnen, die der

Extrapolation der Gerade auf den Ablationsdurchmesser DSpot = 0 entspricht:

01234� � � � � ln7�G � � (08)

� � � 2�� (09)

� � � �2�� ln7�4MVG (10)

�� c� (11)

�4MV � �� (12)

Abbildung 5: Bestimmung der Schwellpeakfluenz |~�� und des Strahlfleckradius � auf der Probe mit Hilfe des Liu-Plots.


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3. Lasereigenschaften

a) Nanosekundenlaser

Ausgangs-leistung P [W]

Pulsdauer N-OPB [ns]

Fokusradius �� [µm]

Beugungs-maßzahl M�

Rayleighlänge]_ [mm]

Peakfluenz �� [J/cm²]

0,20 434 34,4 1,38 2,54 10,8

0,40 256 31,1 1,03 2,76 26,4

0,59 219 32,3 1,11 2,78 36,1

0,81 207 36,7 1,34 2,97 38,2

1,00 203 38,8 1,45 3,08 42,3

1,19 192 40,6 1,61 3,03 45,9

1,40 183 44,2 1,74 3,31 45,5

1,59 182 43,6 1,79 3,13 53,3

1,81 181 46,0 1,91 3,26 54,5

1,90 174 46,6 1,95 3,29 55,8

Tabelle 2: Strahlqualitätsdaten des Rofin Sinar RSM 25Q in Abhängigkeit des Pumpstroms bei einer Repetitionsrate von ¡¢£¤ � ¥}}} ¦§ b) Pikosekundenlaser

Abbildung 6: Strahlqualitätsdaten des HighQ picoREGEN IC1500 bei einer Repetitionsrate von ¡¢£¤ � ¥}}} ¦§ und einer Pulsdauer ¨©ª«¬ � , ¤¬


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4. Thermodynamische Eigenschaften

Tabelle 3: Materialeigenschaften verschiedener Metalle [3]


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Quellen allgemein: Skript zur Vorlesung Lasermaterialbearbeitung (Dr. Heise) Skript zur Vorlesung Lasertechnologie (Prof. Dr. Huber) B. E. A. Saleh, M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, John Wiley & Sons, 2007 (2. Auflage) weiterführend: H. Hügel, T. Graf, Laser in der Fertigung, Kapitel 3 (Grundlagen der Wechselwirkung Laserstrahl/Werkstück, Vieweg + Teubner, Wiesbaden, 2009 (2. Auflage) (http://books.google.com/) [1] T. A. Kuznicki, Selektive Strukturierung des Zinkoxid-Frontkontaktes Chalcopyrit-basierter Dünnschichtsolarzellen mittels Ultrakurzpulslaser, Diplomarbeit, 2009 [2] J. M. Liu, Simple technique for measurements of pulsed Gaussian-beam spot sizes, 1981 [3] R. Iffländer, Solid-State Lasers for Materials Processing, Springer-Verlag, Heidelberg, 2001, Seite 237 Allgemeine Lasertechnik: RP Photonics – Encyclopedia of Laser Physics and Technology (www.rp-photonics.com) (Stichwort: regenerativer Verstärker)

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