Laser. Euro. Sonderdruck aus. Picosekundenlaser eine echte Revolution für die Laser-Materialbearbeitung Kalte Laserbearbeitung

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1 Sonderdruck aus Euro Laser Zeitschrift für die industrielle Laseranwendung. Oktober Picosekundenlaser eine echte Revolution für die Laser-Materialbearbeitung Kalte Laserbearbeitung

2 Picosekundenlaser eine echte Revolution für die Laser-Materialbearbeitung Kalte Laserbearbeitung Schottland ist bekannt für Dudelsäcke, Schottenröcke, Highlands, Whiskey und zumindest innerhalb der Laserbranche Laserstrahlquellen. Denn unweit von Glasgow entstehen in einer der modernsten Laserfabriken der Welt High-end-Laserstrahlquellen der besonderen Art. Neben Systemen für die Elektronik-Fertigung und die Medizintechnik werden hier seit kurzem auch industrietaugliche Picosekundenlaser mit sehr hohen Pulsenergien produziert, die mit einzigartigen Fähigkeiten aufhorchen lassen. Für EuroLaser Grund genug für eine Reise nach Schottland. Dudelsäcke, Schottenröcke und Highlands haben wir auf unserer Fahrt durch Schottland keine gesehen, Whiskey nur in homöopathischen Dosen genossen, aber dafür gab es Laserstrahlquellen vom Feinsten. Schließlich betreibt Coherent im Scotland Science Park eine der modernsten Laserfabriken der Welt ein Werk, das einzig und allein für die Entwicklung und den Bau von Laserstrahlquellen gebaut wurde und bei dessen Konzeption sehr auf Offenheit, reibungslose Abläufe, kurze Wege und eine optimale Kommunikation geachtet wurde. Deshalb sei bevor wir uns intensiv mit dem eigentlichen Grund unseres Besuchs beschäftigen, dem einzigartigen Picosekundenlaser Talisker ein kurzer Exkurs in die eindrucksvolle Fertigung erlaubt. Ausgangspunkt aller in Glasgow hergestell- ten Laser sind ein Hochregallager für größere Komponenten und ein Paternosterregal für Kleinteile. Hier werden alle Teile nach einer Eingangskontrolle eingelagert. Wenn ein Kunde einen Laser bestellt, werden über das Management-System automatisch alle zum Bau nötigen Einzelteile ausgelagert. Das Management-System hat immer einen genauen Überblick über die vorhandenen Teile, wodurch Coherent mit einem sehr geringen Lagerbestand auskommt. Zum Auslagern der Teile werden dem Bediener die jeweiligen Lagerzonen optisch angezeigt, was Fehler bei der Entnahme vermeidet. Sämtliche Teile werden auf einen Montagewagen gelegt. Ein einziger Mitarbeiter montiert dann in einer Laminar-Flow-Box unter Reinraumbedingungen alle mechanischen Elemente des Lasers. Die Boxen sind verfahrbar, sehr flexibel und eignen sich zur Herstellung aller Laser, die in Glasgow produziert werden. Nach Abschluss der mechanischen Montage werden in einem Reinraum Klasse sämtliche optischen Komponenten unter hochreinen Bedingungen eingebaut. Diese extrem saubere Montage ist für Christopher Dorman, Geschäftsführer Coherent Scotland, auch einer C o h e r e n t b e t r e i b t i m S c o t l a n d S c i - e n c e P a r k e i n e d e r m o d e r n s t e n L a s e r - f a b r i k e n d e r We l t e i n We r k, d a s e i n - z i g u n d a l l e i n f ü r d i e E n t w i c k l u n g u n d d e n B a u v o n L a s e r s t r a h l q u e l l e n g e b a u t w u r d e. 52 EuroLaser Unternehmen

3 der Gründe für die hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Coherent Laser. Anschließend werden die Laser dann in einem Reinraum Klasse von hochqualifizierten Ingenieuren darunter einige promovierte Physiker fertig montiert, justiert und in Betrieb genommen. Jede Montagezelle ist für eine papierlose Fertigung übrigens mit einem PC versehen, der nicht nur sämtliche Arbeitsanweiseungen zur Montage der Systeme enthält, sondern auch alle Messwerte während des Aufbaus des einzelnen Gerätes speichert und zudem via Web-Cam und Internet einen direkten Kontakt zur Entwicklung oder zu anderen Bereichen herstellen kann; zum Beispiel, um bei Problemen ohne Verlassen des Reinraums jederzeit Kontakt mit dem zuständigen Entwickler aufnehmen zu können und dem Kollegen die entsprechende Stelle zu zeigen, was das Auffinden und Lösen der Probleme erheblich vereinfacht. Vor der Auslieferung wird jeder Laser dann noch extremen Vibrationen und Temperaturen ausgesetzt und erneut geprüft, um sicherzustellen, dass er auch nach dem Transport zum Kunden zuverlässig funktioniert. Der Faserlaser, die Pumpdioden, die Stromversorgung und verschiedene Leiterplatten können übrigens beim Kunden ausgetauscht werden. Der optische Bereich dagegen ist versiegelt und darf für eventuelle Reparaturen nur im Reinraum von Coherent geöffnet werden. Eine von vielen Besonderheiten des Glasgower Coherent-Werks: Die Produktionsleute, die durch ihren intensiven Kontakt mit den Lasern genau wissen, worauf es ankommt, wechseln nach drei oder vier Jahren in die Entwicklung und bringen so ihre Erfahrung in die künftigen Produkte ein. Coherent legt bei der Entwicklung der Laser, die grundsätzlich von Anfang an für eine Produktion in hohen Stückzahlen ausgelegt werden, großen Wert auf ein modulares Design. Zudem kommen so weit wie möglich baugleiche Module zum Einsatz ein weiteres Kriterium für hohe Prozesssicherheit und Zuverlässigkeit, das zudem für günstige Herstellungskosten sorgt. Dass bei der Gestaltung des Werks die Kommunikation hohe Priorität hatte, sieht man auf den ersten Blick: Das ganze Werk ist extrem offen, ohne abgeschlossene Büros und weitgehend ohne fest zugeordnete Schreibtische. Die Entwickler haben über große Glasflächen sogar direkten Sichtkontakt zu den Kollegen im Reinraum. Selbst die Mitarbeiter in den wenigen Bereichen, die aus Sicherheits- und Geheimhaltungsgründen abgeschottet sind, halten über Video-Kameras und Bildschirme Kontakt zu den Kollegen. Was den Standort in Schottland besonders auszeichnet, erklärt Christopher Dorman: In Glasgow ist das Know-how vorhanden, hochkomplizierte Laser als funktionssichere und industrietaugliche Black-Box herzustellen, die über Jahre rund um die Uhr arbeiten kann. Unsere Laser müssen absolut prozesssicher sein, denn vielfach sind sie die Schlüsselkomponenten in den Fertigungslinien unsere Kunden und ein Ausfall verursacht enorme Kosten. Zudem ist es sehr teuer, die Laser zu uns ins Werk zu bringen, im Reinraum zu öffnen und einen Fehler zu beheben. Und genau dieses Know-how war gefragt, als es um die Entwicklung des neuen Picosekundenlasers Talisker ging. Schließlich stand im Pflichtenheft neben sehr hoher Pulsenergie und hoher Durchschnittsleistung auch eine extreme Zuverlässigkeit ganz oben. Christopher Dorman: Wir haben nicht den ersten Picosekundenlaser auf den Markt gebracht, aber ein absolut zuverlässiges, industrietaugliches System mit extrem hoher Pulsenergie, das über Jahre im Dauerbetrieb arbeitet und nicht alle 14 Tage neu justiert werden muss. Dies erreichen wir durch die Verwendung der zuverlässigsten und besten Technologien aus unserem Konzern, übrigens typisch für Coherent. Die gegenüber Rückreflektionen sehr unempfindlichen Laserdioden zum Pumpen des Verstärkers, Teile der Optik und die Stromversorgung werden 1:1 seit Jahren in anderen Systemen verwendet, was den Aufwand für die Entwicklung und damit die Kosten verringert und die Zuverlässigkeit erhöht. Dies gilt auch für die Permalign-Technologie zur Fixierung der optischen Komponenten. Dazu Matthias Schulze, Direktor Technisches Marketing: Mit der einzigartigen Permalign-Technologie, die wir mit großem Erfolg in zahlreichen Lasern einsetzen, haben wir Prozesse aus der Elektronik-Industrie auf die Optik übertragen. Zur Befestigung der Optiken nutzen wir dabei eine spezielle Löttechnik, mit der die einzelnen Elemente für die Justage voll beweglich sind, nach dem Erstarren des Lots aber absolut langzeitstabil fixiert werden und selbst massiven Schlägen und Vibrationen standhalten. Anders als bei den Schrauben, die 99 Prozent aller Laser zur Einstellung der Spiegel nutzen, schaffen wir damit optimale Voraussetzungen für einen jahrelangen, reibungslosen Dauerbetrieb auch unter widrigen Bedingungen. Strahlquellen EuroLaser

4 F ü r C h r i s t o p h e r D o r m a n, G e s c h ä f t s - f ü h r e r C o h e r e n t S c o t l a n d ( l i n k s ) u n d M a t t h i a s S c h u l z e, D i r e k t o r Te c h n i s c h e s M a r k e t i n g v o n C o h e r e n t, s i n d P i c o s e k u n - d e n l a s e r e i n e e c h t e R e v o l u t i o n f ü r d i e L a s e r t e c h n i k, d e n n s i e e r m ö g l i c h e n e r s t - m a l s e i n e k a l t e L a s e r b e a r b e i t u n g. Was den Talisker vor allem von den anderen in Schottland gefertigten Lasern, die überwiegend im Halbleiterbereich und der Medizintechnik eingesetzt werden, unterscheidet, ist die Integration eines Faserlasers allerdings nur als Teil eines Gesamtsystems. Christopher Dorman: Der Talisker, den wir komplett im eigenen Haus entwickelt haben und herstellen, nutzt alle Vorteile und Fähigkeiten des Faserlasers und kombiniert dies durch den optischen Verstärker mit den Leistungen eines konventionellen Lasers. Heißt: Für die Aufgaben, für die der Faserlaser die bessere Lösung ist, nutzen wir den Faserlaser und für die Bereiche, in denen der Free-Space-Laser besser ist, nutzen wir den Free-Space-Laser. Grund für diese Kombination ist die Tatsache, dass der Faserlaser nicht die gewünschten hohen Pulsenergien liefern kann. Deshalb nutzt Coherent den Faserlaser nur zur Pulsgenerierung und verstärkt die Pulse in einem offenen Laser. Die vertiefende Erklärung von Matthias Schulze: Wir nutzen die Vorteile der Faserlaser ohne Gefahr zu laufen, dass die Faser durch extrem hohe Verstärkungen beschädigt wird. Faserlaser sind sehr kompakte, erprobte, äußerst zuverlässige Systeme, die für die Telekommunikation in hohen Stückzahlen 54 EuroLaser produziert werden. Sie können nur leider die von uns angestrebte, hohe Pulsenergie nicht liefern. Wir haben es versucht, aber wir würden uns damit zu nahe am Rande der heutigen Möglichkeiten bewegen. Wir wollen allerdings keinen an seinen Leistungsgrenzen betriebenen Laser für kurzzeitige Experimente herstellen, sondern ein zuverlässiges, voll industrietaugliches System, das über Jahre perfekt funktioniert. Unsere Kunden wollen einen Laser, den sie einschalten, im Dauerbetrieb nutzen und vielleicht nach zwei Jahren für die erste Wartung abschalten. Wir verwenden deshalb erprobte Technologie, die innerhalb ihrer Möglichkeiten betrieben wird. Christopher Dormann ergänzt: Deshalb verwendet Coherent auch nicht die neuesten Kristalle oder irgendwelche esoterischen Materialien, sondern State-of-the-art-Technologie, die dank modernster Fertigungstechnik absolut funktions- und prozesssicher zusammengesetzt wird. Denn nur beste, ausgewählte und erprobte Komponenten sind in der Lage, die hohen Anforderungen zu erfüllen. Aus Gründen der Zuverlässigkeit wird auch der Faserlaser weit unterhalb der magischen Schwelle von 10 µj betrieben. Um dickere Materialien und empfindliche Werkstoffe wie Saphir oder Glas bearbeiten zu können, erzeugen wir die dafür nötige Pulsenergie über einen als Verstärker genutzten Free-Space-Laser. Dadurch sind je nach Repetitionsrate Pulsenergien von 100 bis 200 µj möglich. Dabei arbeitet der Faserlaser das Herz des Talisker konstant und damit stabil mit einer Repetitionsrate von 40 MHz und hoher Pulszu-Puls-Stabilität. Wir nehmen dann einzelne Pulse heraus und schicken sie in den Verstärker. Dies alles erfolgt in einem sehr kompakten, robusten System, das auch beim Kunden getauscht werden kann. Mit einem konventionellen Laser bräuchten wir dafür eine 3 m lange Kavität und würden uns, was die Größe und die Kosten betrifft, auch bei einer gefalteten Kavität in einem ganz anderen Bereich bewegen. Unser Faserlaser hat ebenfalls eine 3 m lange Kavität, aufgerollt in einem Gehäuse, das nicht viel größer ist als eine kleine Zigarrenkiste. Zudem ist der Faserlaser völlig unempfindlich gegenüber Bewegungen und Verformungen und damit die zuverlässige Basis für alles, was danach kommt. Wir vereinen dadurch die Stabilität des Faserlasers mit der Fähigkeit des Free-Space-Lasers, hohe Pulsenergien zu erzeugen. Hierbei können wir auch die Parameter des Lasers wie Pulsraten in einem weiten Bereich verändern, ohne dass die Strahlqualität darunter leidet, versichert Matthias Schulze. Warum bei all dem gerade die Picosekundenpulse so extrem wichtig sind, erklärt Christopher Dorman: Je länger der einzelne Puls dauert, desto mehr Wärme gelangt in das Bauteil. Ein herkömmlicher Laser kann noch so genau fokussiert sein, er bringt einfach Wärme ein, die das Bauteil schädigen oder in irgendeiner Form beeinflussen kann. Das Material wird aufgeheizt oder schmilzt. Bei konventio- B e i d e r K o n z e p t i o n d e s We r k e s w u r d e s e h r a u f O f f e n - h e i t, r e i b u n g s l o s e A b l ä u f e, k u r z e We g e u n d e i n e o p t i m a l e K o m m u - n i k a t i o n g e a c h t e t. Unternehmen

5 nellen Lasern auch bei gepulsten Mikro- und Nanosekundenlasern ist dies nicht zu vermeiden. Diese Laser sind damit im Prinzip nichts anderes als hochgenau arbeitende Wärmequellen. In vielen Prozessen wie schweißen oder schneiden ist dies auch gewünscht. Der Schritt zum Picosekundenlaser verändert dies komplett. Diese Laser sind damit eine echte Revolution für die Lasertechnik, denn die Art der Materialbearbeitung ist eine völlig andere. Der Schritt vom Nano- zum Picosekundenlaser ist anders als es so mancher glauben mag nicht nur eine etwas kürzere Pulslänge und auch nicht nur von akademischem Interesse. Diese Laser sind eine echte Revolution für die Laser-Materialbearbeitung, denn sie ermöglichen erstmals eine kalte Laserbearbeitung. Die Erklärung liefert Matthias Schulze: Wenn man Picosekundenpulse verwendet, gelangt nur minimale Wärme mehr in das Bauteil. Denn die Dauer des Pulses ist wesentlich kürzer als die Zeit, die die Elektronen zur Wärmeübertragung auf das nächste Elektron brauchen. Der Prozess wird von dem so genannten Zwei-Photonen-Effekt dominiert. Das Material wird dabei sofort aus dem festen Zustand in Dampf oder Plasma umgewandelt. Mit den Picosekunden-Pulsen übertragen wir keine Wärme mehr, sondern nur die Energie. Wir entfernen durch das direkte Ionisieren einzelne Elektronen und Moleküle aus dem Material, ohne dass sich dies auf die benachbarten Teilchen auswirkt. Ideal ist dies für empfindliche Materialien, die durch die Wärme geschädigt werden oder Risse bilden können. Und noch ein wichtiger Punkt: Die einzige betroffene Region ist der Bereich, auf den der Laserstrahl auftrifft. Alles, was sich außerhalb des Fokuspunkts des Laserstrahls befindet, ist am Prozess nicht beteiligt. Nachdem der Einsatz von Picosekundenlasern erst am Anfang steht, bietet Coherent den Talisker standardmäßig mit drei Wellenlängen an für die Schotten war die Entwicklung einer sehr effizienten Umwandlung in die verschiedenen Wellenlängen dank der großen Erfahrung mit Lasern unterschiedlicher Wellenlängen kein größeres Problem Und so haben die Anwender mit den drei Wellenlängen von nm, 532 nm und 355 nm alle Möglichkeiten und können sehr einfach ermitteln, mit welcher Wellenlänge der jeweilige Prozess am besten funktioniert. Der Laser verfügt dazu über drei separate, via Software schaltbare Strahlausgänge. Der Anwender muss für seine Versuche also keine Optiken entfernen, sondern kann drei verschiedene Aufbauten für die Versuche nutzen. Ergänzend zu dem universellen System mit drei Wellenlängen soll der Talisker aber langfristig auch mit festgelegten Wellenlängen hergestellt werden als günstigere Version für genau festgelegte Aufgaben. Weitere Variationsmöglichkeiten bieten die zwei Betriebsarten: Zuerst das Verändern der Repetitionsrate im Bereich von 50 bis 200 khz, um zum Beispiel mit einer niedrigeren Repetitionsrate eine höhere Energie zu erzeugen oder umgekehrt. Anschließend das Auswählen einzelner Pulse zum Beispiel Puls, Puls, kein Puls oder welches Pulsmuster auch immer. Dies wird bei verschiedenen Bearbeitungen praktiziert, um zum Beispiel dem Material etwas mehr Zeit für eine bestimmte Reaktion zu geben. Über einen akusto-optischen Modulator besteht dann noch die Möglichkeit, die Energie einzelner Pulse zu reduzieren oder einzelne Pulse komplett auszublenden. Der Anwender kann damit voll flexibel wählen, wann er welche Pulse auf seinem Material haben will. Matthias Schulze: Dies ist sehr wichtig, weil die Applikationsvielfalt so groß ist, dass sie sich mit einem festen Parametersatz nicht erfüllen lassen. Dafür, dass die Fähigkeiten nicht nur theoretisch vorhanden, sondern auch praktisch nutzbar sind, sorgt übrigens eine hochentwickelte Software, die dem Anwen- D i e e x t r e m s a u b e r e M o n t a g e u n d I n b e - t r i e b n a h m e u n t e r h o c h r e i n e n B e d i n - g u n g e n i s t e i n e r d e r G r ü n d e f ü r d i e h o h e Z u v e r l ä s s i g k e i t u n d L a n g l e b i g k e i t d e r C o h e r e n t L a s e r. der bei einer einfachen Bedienung alle Möglichkeiten bietet. Wichtig zu wissen ist auch: Der Talisker ist der erste Laser einer ganzen Plattform. Christopher Dorman: Wir werden uns nicht ausruhen, sondern arbeiten intensiv an weiteren Ausbaustufen, um mit noch höheren Leistungen weitere Anwendungsgebiete zu erschließen. Zudem können sich die Anwender dadurch sicher sein, auch bei weiteren Ausbaustufen ihrer Systeme einen geeigneten Laser zu erhalten. Denn die Firmen investieren viel Geld in die Integration des Lasers in die Maschinen und wollen bei steigenden Anforderungen sicher sein, dass der Laser auch Schritt halten kann. Auch in Sachen Service kann Christopher Dorman eventuelle Zweifler beruhigen: Für einen dauerhaften Erfolg ist ein weltweiter Service sehr wichtig. Coherent kann als global aufgestelltes Unternehmen mit seinen Mitarbeitern diesen Service an jedem Ort der Welt sicherstellen. Was die denkbaren Anwendungen betrifft, stehen dem Talisker nach Überzeugung von Matthias Schulze alle Türen offen: Als voll industrietauglicher Picosekundenlaser eignet sich der Talisker mit seinen extrem kurzen Pulsen mit sehr hoher Pulsenergie für verschiedenste Materialbearbeitungen und kann kleinste Strukturen mit hoher Produktivität herstellen. Mit den drei Wellenlängen nm, 532 nm und 355 nm lassen sich Metalle, harte Materialien und Glas ebenso bearbeiten wie Silikon oder Polyimide. Denkbare Einsatzbereich sind die Herstellung von Solarzellen, flexiblen Schaltkreisen und Displays, Flachbildschirmen sowie biomedizinischen Komponenten, aber auch das Mikrofräsen oder das Trennen von Wafern. gk Strahlquellen EuroLaser