Gepulste Laser PD Dr.-Ing. Cemal Esen Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik

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1 Gepulste Laser PD Dr.-Ing. Cemal Esen Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik

2 Aufbau eines Lasers 2

3 Prinzip eines 4-Niveau-Lasers Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik 3

4 Betriebsarten eines Lasers Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik Betriebsarten entscheiden neben der Wellenlänge des Lasers welche Art von Wechselwirkung mit dem Material stattfindet. Kontinuierlicher Betrieb (cw): 0,25 s Permanente Anregung muss zu ständiger Besetzungsinversion führen Schnelle Entleerung des unteren Laserniveaus (4-Niveau) 4

5 Betriebsarten eines Lasers Pulsbetrieb Pulsdauer: 10-3 bis s Je nach gewünschter Pulsdauer werden unterschiedliche Methoden zur Pulserzeugung angewendet. Pulsanregung (10 ms) Güteschaltung (1 ns) Modenkopplung (1 ps) Pulskompression (5 fs) 5

6 Pumpanregung 6

7 Prinzip der Güteschaltung (Q-Switch) 7

8 Passive Güteschaltung Sättigbare Absorber (z.b. Farbstofflösung oder Cr:YAG-Kristall) als schnelle optische Schalter für passive Güteschaltung Vorteile: + Keine Hochspannung erforderlich + Klein, kompakt, kostengünstig + Schnelle Anstiegszeit + Hohe Pulswiederholraten möglich Nachteile: - Abhängig von Materialparametern - unflexibel in der Anpassung - unflexibel in den möglichen Pulsparametern 8

9 Aktive Güteschaltung: Akusto-optisch Brechungsindexmodulation erzeugt plan-parallele Ebenen im Abstand Λ, von denen die Lichtwellen gebeugt werden. Konstruktive Interferenz dieser Teilwellen für Einfallswinkel θ, die die Bragg-Bedingung erfüllen: sinθ B =λ/2λ λ= optische Wellenlänge im Medium 9

10 Aktive Güteschaltung: Akusto-optisch 10

11 Aktive Güteschaltung: Elektro-optisch Prinzipien der Elektrooptik: Modifikation der Propagation von Licht durch ein Medium durch elektrische Felder Elektrooptischer Effekt: Änderung des Brechungsindex eines Mediums durch elektrisches Feld in anistropen Medien: zusätzlich Änderung der Polarisation des Lichtes 11

12 Aktive Güteschaltung: Elektro-optisch Pockels-Effekt in anisotropen Medien: In anisotropen Medien gibt es zwei orthogonal zueinander linear polarisierte Moden mit abweichenden Ausbreitungsgeschwindigkeiten c 0 /n 1 und c 0 /n 2 Brechungsindizes: n 1 (E)=n 1-1/2r 1 n 1 ³E n 2 (E)=n 2-1/2r 2 n 2 ³E V d L r n r 2 n 3 2 Halbwellenspannung: Spannung für Drehung der linearen Polarisation um 90 12

13 Aktive Güteschaltung: Elektro-optisch Kristalle: z.b. KDP, LiNbO 3 Spannungen: 1-5 kv 13

14 Modenkopplung: Longitudinale Moden eines Lasers Resonanzbedingung: L Resonatorlänge Eigenschwingungen bzw. -Frequenzen (longitudinale Moden): L n 2 =c/ E n c 2L M c 2L 14

15 Prinzip der Modenkopplung Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik 15

16 Pulskompression Prinzip: Verzögerung des rot-verschobenen Pulsanstiegs gegenüber dem blau-verschobenen Pulsabfall, indem die roten Spektral-Anteile einen längeren Weg zwischen den beiden Gittern zurücklegen. 16

17 Verfügbare Laserquellen Q-Switch Nd:YAG Pikosekundenlaser Femtosekundenlaser Wellenlänge 1064 nm, 532 nm ca. 1 µm, 500 nm, 340 nm bei, 2, nm, 1030 nm Pulsdauer ns ps fs Pulsenergie µj µj µj Pulswiederholfrequenz khz khz 1-5 khz 17

18 Verfügbare Laserquellen: ns-laser 18

19 Verfügbare Laserquellen: ps-laser 19

20 Verfügbare Laserquellen: fs-laser Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik 20

21 Verfügbare Laserquellen: fs-laser, Pulskompression 21

22 Mögliche Leistungsdichten 22

23 Mögliche Leistungsdichten 23

24 Strahl-Werkstoff-Wechselwirkung Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik 1. Absorption des Strahls im Werkstoff Oberflächenabsorption, Tiefenabsorption, Multiphotonenabsorption 2. Umwandlung in thermische Energie 2D oder 3D Wärmequelle, Wärmeleitungsverluste 3. Phasenumwandlung (Schmelze, Materialdampf, Plasma) 4. Wechselwirkung des Laserpulses mit den resultierenden Phasen bei langen Pulsen: starke Wechselwirkung bei ultrakurzen Pulsen: nahezu keine Wechselwirkung 5. Entfernen der Ablationsprodukte hoher Schmelzeanteil: Gratanhaftung (aber hoher Wirkungsgrad) hoher Dampfanteil: (Geringe Debrisreste, geringer Wirkungsgrad) 24

25 Strahl-Werkstoff-Wechselwirkung Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik 1. Absorption des Strahls im Werkstoff Oberflächenabsorption, Tiefenabsorption, Multiphotonenabsorption 2. Umwandlung in thermische Energie 2D oder 3D Wärmequelle, Wärmeleitungsverluste Die Wechselwirkung wird durch die optischen 3. Phasenumwandlung (Schmelze, Materialdampf, Plasma) und thermophysikalischen Eigenschaften des 4. Wechselwirkung des Laserpulses mit den resultierenden Phasen bei langen Werkstoffs Pulsen: starke Wechselwirkung bestimmt! bei ultrakurzen Pulsen: nahezu keine Wechselwirkung 5. Entfernen der Ablationsprodukte hoher Schmelzeanteil: Gratanhaftung (aber hoher Wirkungsgrad) hoher Dampfanteil: (Geringe Debrisreste, geringer Wirkungsgrad) 25

26 Thermische Effekte Zeitskala: Absorption durch Elektronensystem: ca fs Diffusion der Energie im Elektronensystem: ca. 100 fs Übergang der Energie auf das Festkörpergitter: 10 ps Thermalisierung des Festkörpergitters: ca ps 26

27 Wechselwirkung Laser-Materie Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik 27

28 Weitere Anwendungen Zwei-Photonen-Polymerisation Zwei-Photonen-Mikroskopie Zwei-Photonen-Fluoreszenz Verfolgung von Reaktionen 28

29 Beispiel: Strukturierung von SiO 2 Passivierungsschicht 200 nm SiO 2 elektrischer Kontakt ns- pulse ps-pulse Quelle: IFSH/LZH 29

30 Beispiel: Herstellung von Mikrostrukturen durch 2PP Quelle: LAT/LZH 30

31 Zusammenfassung Verschiedene Möglichkeiten der Pulserzeugung bis in den fs-bereich Pulsdauer, -energie und Wellenlänge sind die entscheidenden Parameter für eine erfolgreiche Mikrostrukturierung Vielseitige Anwendungsfelder für gepulste Laser 31