GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASER- BEARBEITUNG. Jürgen Koch

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1 GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASER- BEARBEITUNG Jürgen Koch Laser Zentrum Hannover, Germany

2 INHALT Ultrakurzpulslaser in der Mikromaterialbearbeitung Vorteile der Ultrakurzpulslasermaterialbearbeitung Bearbeitbare Materialien Wechselwirkung ultrakurzer Laserpulse mit Materie Werkzeug- und Abtragsgeometrie Abtragsschwelle und laterale Strukturgrößen Abtragsprofil und Abtragsrate Gute Bearbeitungsergebnisse, stabile Prozesse Ripple- und Spike-Entstehung: Vermeidung und Nutzung 2

3 MIKROBEARBEITUNG MIT LASERSTRAHLUNG Wärmebasierte Lasermikromaterialbearbeitungsprozesse Mikroschweißen Mikrolöten Mikrohärten langsame Energiezufuhr, kontrolliertes Laserheizen lang gepulste Laser Abtragende Lasermikromaterialbearbeitungsprozesse Mikroschneiden Mikrobohren Mikrogravieren schnelle Energiezufuhr, keine Grat- und Schmelzbildung ultrakurz gepulste Laser 3

4 BEARBEITUNGSERGEBNISSE IM VERGLEICH fs-ablation ns-ablation Pulslänge: t = 200 fs Pulslänge: t = 10 ns Pulsenergie: E = 225 nj Pulsenergie: E = 270 nj 4

5 BEARBEITUNG WÄRMESENSITIVER MATERIALIEN Streichholzkopf Puzzle-Teil Materialbearbeitung fast ohne thermische Schädigung 5

6 BEARBEITBARKEIT VERSCHIEDENSTER MATERIALIEN Glas Wolfram Tantal Kunststoff Kupfer amorphes Metall 6

7 WECHSELWIRKUNG ULTRAKURZER LASERPULSE MIT MATERIE Absorption Deponierung der absorbierten Energie im Elektronensystem Energieübertrag auf das Festkörpergitter, Aufbrechen von Atomund Molekülbindungen 1a Metalle 1b Dielektrika h h e - e - h T e > T e > + Ion e - 7

8 Elektronenthermalisierung Elektronenabkühlung Ionen-Elektronen- Temperaturgleichgewicht thermische Diffusion Schmelzen Ablation WECHSELWIRKUNG ULTRAKURZER LASERPULSE MIT MATERIE Zeit (s) 8

9 WERKZEUGGEOMETRIE DES LASERS? Spanende Bearbeitung Abtragsgeometrie definiert durch Werkzeuggeometrie und Zustellung Werkzeuggeometrie willkürlich Abtragsgeometrie nicht allein aus Werkzeugparametern bestimmbar 9

10 LATERALE STRUKTURGRÖßEN Laserbearbeitetes Biopolymer Chitosan Einzellaserpuls, gaußsche Intensitätsverteilung, 10µJ, 800nm, 30fs lateral scharf nach außen abgegrenzte Materialmodifikation 10

11 LATERALE STRUKTURGRÖßEN Ablationsschwelle F 2 d F0 exp( ) 2 d 0 Strukturgröße: F th d d 0 ln F F th Prinzipiell beliebig kleine Strukturgrößen möglich Praktisch beschränkt durch Intensitäts- und Strahllageschwankungen 11

12 LATERALE STRUKTURGRÖßEN IN TRANSPARENTEN MATERIALIEN effektives Strahlprofil q = 1 q = 2 q = 4 q = 9 Ablationsschwelle d Strukturgröße (F/F th = const.): k NA q d k 0, d0, k 0,5 1 q NA Kleinste Strukturen in Materialien mit größter Bandlücke 12

13 ABTRAGSTIEFE UND ABTRAGSPROFIL Laserbohren in Glas, 800nm, 30fs, 1kHz Abtragsprofil erst parabel-, später v-förmig Abtragstiefe nimmt nicht linear mit der Laserpulsanzahl zu oberflächliche Abtragsbreite bleibt nahezu unverändert Abtragsrate ist keine Konstante 13

14 ABTRAGSTIEFE UND ABTRAGSPROFIL a i0 = 1-R(α,p) e i0, p i0 e ij : Teilstrahlenergie e i1, p i1 p ij : Teilstrahlpolarisation e i2, p i2 a i1 = 1-R(α,p) Fokusdurchmesser a ij : absorbierte Energie bei der j-ten Reflexion Fokuslage R: Reflexionskoeffizient (winkel-, polarisations- und materialabhängig) z z = 0 Abtragstiefe in Abhängigkeit der Fluenz: d z ( x, y) d z, 0 Fluenz im Gaußprofil: F( x, y) d z F( x, y) ln F th exp 2 2( x y w Fmax 2 2d z,0 2 2 ( x, y) ( x y ) d 2 w 2 ) Abtragsgeometrie des ersten Pulses auf ideal glatter Oberfläche ist ein Paraboloid: z,0 F ln F max Im Allgemeinfall sind Abtragsgeometrien nicht analytisch berechenbar. mögliche Modellierungsmethode: Raytracing th 14

15 EINFLUSS VORHANDENER OBERFLÄCHENSTRUKTUREN AUF DAS BEARBEITUNGSERGEBNIS Modellierter Laserabtrag in Kupfer Einzellinie, 10 Überfahrten, 1064nm, Fokusdurchmesser 12µm, M² = 1,3, 50µJ/Puls, Puls-zu-Puls-Abstand 1µm 15

16 PROZESSSTRATEGIE: FLÄCHIGER ABTRAG Hatching (gekreuzt) Spiralbahn 16

17 ANLAGENSTEUERUNG Gemeinsame Steuerung von Laser und Handhabungssystem Laser ein-/ausschalten on the fly Synchronisation von Laser und Positioniersystem 17

18 AUSSCHUSSRATENMINIMIERUNG Laserbearbeitungsergebnisse sind abhängig von vielen Parametern. Das mehrdimensionale Prozessfenster ist in einigen Dimensionen kritisch schmal. Erhöhte Prozessstabilität und geringere Ausschussraten durch Prozessüberwachung Laserpulsenergie-Monitoring Adaptive Prozessregelung Laserleistungsstabilisierung Autofokussystem Prozessbeobachtung mit rückkoppelnder Bilderkennung Prozessvorhersagemodelle Ausschussratenvorhersage anhand von Fokusnachregelungsaktivitäten FP NMP-ICT-FoF FoF.NMP Towards zero-defect manufacturing 11/ /

19 RIPPLE-STRUKTUREN E Stahl 0,4J/cm², 800nm, 30fs, 1kHz, eine Überfahrt je Richtung, 250µm/s Ripple-Strukturen sind quasiperiodische Linienstrukturen mit einer Periode in der Größenordnung der Laserwellenlänge (oder darunter), die senkrecht zur Laserpolarisation ausgerichtet sind. Vermeidung/Reduktion: zirkular polarisierte Laserstrahlung oder rotierende Linearpolarisation 19

20 SPIKE-STRUKTUREN E Titan 800nm, 30fs, 1kHz Spike-Strukturen sind ungeordnete Mikrostrukturen mit nanorauer Oberfläche Erzeugung: Abscannen der Oberfläche, keine scharfe Fokussierung nötig 20

21 LOTUS-EFFEKT E Oberfläche eines Lotusblatts Ähnlichkeit zu Spike-Strukturen Wassertropfen auf einem Lotusblatt 21

22 UNSTRUKTURIERTE TITANOBERFLÄCHE 22

23 LOTUS-TITAN-OBERFLÄCHE 23

24 ZUSAMMENFASSUNG Ultrakurzpulslaser sind universelle Werkzeuge für die Mikromaterialbearbeitung. Scharf definierte Ablationsschwellen ermöglichen laterale Strukturgrößen bis in den Sub-Mikrometerbereich. Abtragsgeometrien sind neben der Laserparameterabhängigkeit auch material- und oberflächengeometrieabhängig. Laserbearbeitung bedarf eigener Prozessstrategien. In der Prozessregelung besteht noch viel Potenzial. Spike- und Ripple-Strukturen ermöglichen funktionale Oberflächen. 24