Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Jürgen Schmidt

Transkript

1 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Wirtschaftsnahe Forschungseinrichtung Gründung 1994 Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Jürgen Schmidt Grenz- ThGOT Leipzig, und Oberflächentechnologie September 2014 INNOVENT Biomaterialien e.v. Technologieentwicklung Magnetische und optische Systeme Folie Analytik 1

2 Motivation: Wachsende Anwendungsbreite der Lasertechnik Leistungsdichte der Laser (Ultrakurzpulslaser) Unterschiedlich emittierte Wellenlängen Erhöhte Anforderungen an die optomechanischen Komponenten Absorption von Strahlungsmüll Beständigkeit bei erhöhten Leistungsdichten Entwicklung von beständigen und hochabsorbierenden Beschichtungen für optomechanische Bauelemente ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 2

3 Gliederung: Stand der Technik bei optomechanischen Komponenten Verwendete Laser / Schichtsysteme Plasmachemische Oxidation - Verfahrensbeschreibung Chemische Zusammensetzung optische Eigenschaften (Reflexion und Streulicht) Zerstörschwelle Zusammenfassung und Ausblick ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 3

4 Stand der Technik bei optomechanischen Komponenten Quelle: Thorslab Quelle: Thorslab Quelle: Coherent Spiegelhalter, Linsenträger, Blenden, Gehäuse, Beamblocker, Strahlschutzbleche, Strahlfallen / Beam Dumps, Shutterblenden, Absorberplatten, Beamfinder (Wandlerkarten) gefertigt aus kommerziell verfügbaren Aluminiumlegierungen Oberfläche schwarz Eloxal (meist mit adsorptiver Färbung) unbekannte Zerstörschwelle ab dem NIR- Bereich sehr hohe Reflexion Quelle: LIS GmbH ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 4

5 Reflexion [%] Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Stand der Technik bei optomechanischen Komponenten Reflexionsspektren von schwarz Eloxal (adsorptive + elektrol. Färbung) Diodenlaser 980 nm Faserlaser 1065 nm Ultrakurzpulslaser 355 nm Ultrakurzpulslaser 532 nm Ultrakurzpulslaser 1064 nm Wellenlänge [nm] PCO13 black Eloxal, adsorptiv Eloxal_elektrolyt. ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 5

6 Streulichtleistung dp [µw] Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Stand der Technik bei optomechanischen Komponenten Streulichtmessungen Streulichtmessung bei 632 bei nm Einfallswinkel (Einfallswinkel ) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Streulichtwinkel [ ] Eloxal, adsorptiv Eloxal, elektrol. PCO13 black ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 6

7 Streulichtleistung dp [µw] Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Stand der Technik bei optomechanischen Komponenten Streulichtmessungen bei 632 nm (Einfallswinkel 0 ) Streulichtmessung bei Einfallswinkel 0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Streulichtwinkel [ ] Eloxal, adsorptiv Eloxal, elektrol. PCO13 black ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 7

8 Verwendete Laser Faserlaser bei 1065 nm Ultrakurzpulslaser bei 355 nm Ultrakurzpulslaser bei 532 nm Ultrakurzpulslaser bei 1064 nm Verwendete Schichten Eloxal, schwarz adsorptiv eingefärbt PCO 13 black_cucr PCO 13 black_femo PCO 13 black_fece PCO 13 black_femo PCO 13 ws Laser Faserlaser (IPG) Ultrakurzpulslaser (Lumera) Wellenlänge(n) (nm) , 532, 355 Leistung (W) (1064), 8 (532) 6 (355) Pulsspitzenleistung (kw) Pulsfrequenz (khz) 8, Pulsdauer (ns) 120, 200, 400 0,01 Fokusdurchmesser (µm) Sonstiges 74, 15 25, 30, 50 Kamerapositioniersystem ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 8

9 Plasmachemische Oxidation Sonderform der anodischen Oxidation Einordnung des Verfahrens in den Grenzbereich zwischen Elektrochemie und Plasmaphysik Oberflächenentladungen auf einer Elektrode (Anode) und Bildung eines Dielektrikum ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 9

10 Plasmachemische Oxidation Verschiedene Bezeichnungen für Verfahren und Schichten: Anodische Oxidation unter Funkenentladung (ANOF) Kepla-Coat Micro Arc Oxidation (MAO) Plasma electrolytic oxidation (PEO) Anodic spark deposition (ASD) Plasmocer Eigene Bezeichnung des Verfahrens bzw. der Schichten: PCO 13 black PCO Plasma Chemische Oxidation 13 Ordnungszahl des Leichtmetalls im PSE (13 für Al, 12 für Mg und 22 für Ti) black spez. Schichteigenschaft (Modifikation) PCO 12, PCO 22 ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 10

11 Plasmachemische Oxidation Stromdichte: 0,5-5 A/dm 2 Badspannung: 500V DC oder gepulst Frequenz: Temperatur: Hz C ph- Wert: 5-12 Leitwert: ms/cm Gezielte Beeinflussung der chemischen Zusammensetzung der Schichten möglich ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 11

12 Plasmachemische Oxidation Charakteristische Funkenentladungen Abrasterung des zu beschichtenden Teiles Gleichmäßiger Schichtaufbau Schichtdicke kontrolliert Ende der Beschichtung Legierungsunabhängig 3 Mg + 2 PO OH - ; - 6e - Mg x (PO y ) z, amorph Beispielreaktion ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 12

13 Plasmachemische Oxidation Schichtdicke 5 bis 20 µm Keine Veränderung der Rauheit in diesem Bereich Farben schwarz und hellgrau Beeinflussung der Morphologie möglich ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 13

14 nz. [%] Atomkonz. [%] Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Probenbezeichnung: GDS-Bedingungen: Datum/Zeit: Probe 4 25W,3p / 0, :42:46 RAW=D:\Ilmenau\Ergebnisse\MFPA\21_06_06_Innovent\Probe4.raw : MTH=Al2O3_Ti_4mm_RF Plasmachemische Oxidation C - ( 10) Cr - ( 5) Al 2 Cu - ( 100) O P - ( 10) GDOES- Analyse der Schichtzusammensetzung S - ( 100) Probe PCO 13 black (Cr und Cu dotiert) 100 Al 2 Al 2 90 Al O Al 2 Probenbezeichnung: Probe 4 RAW=D:\Ilmenau\Ergebnis C - ( 10) Cr - ( 5) Al 2 Cu - ( 100) O P - ( 10) S - ( 100) 20 Cr Cu Cu 10 Cr Cu O Cu C P Cr S C P S CO P S Cr O 0 P S Tiefe [µm] 100 ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 14 90

15 tomkonz. [%] Atomkonz. [%] Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Probenbezeichnung: Probe 5 GDS-Bedingungen: 25W,3p / 0,0 RAW=D:\Ilmenau\Ergebnisse\MFPA\21_06_06_Innovent\Probe5.raw : MTH=Al2O3_Ti_4mm_RF C - ( 10) Al 2 Ni - ( 10) Co - ( 10) O P - ( 10) S V - ( 10) Plasmachemische Oxidation Datum/Zeit: :05:17 GDOES- Analyse der Schichtzusammensetzung 100 Probe PCO 13 black (Co und Ni dotiert) Al 2 Al 2 Al Al 2 O Probenbezeichnung: Probe 5 RAW=D:\Ilmenau\Ergebnisse\MFPA\2 C - ( 10) Al 2 Ni - ( 10) Co - ( 10) O P - ( 10) S V - ( 10) Co P V CNi S CNi Co OP SV CNi Co OP SV CNi Co OP SV Tiefe [µm] ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie

16 Massekonz. [%] Massekonz. [%] Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Plasmachemische Oxidation GDOES- Analyse der Schichtzusammensetzung Probe Probe PCO.(Fe 13 black und (Fe Ce und dotiert) Ce dotiert) C O Al 2 Fe Ce B2 Mg Si Si P Si 10 Si C Mg Fe O B2 P Fe 2 Ce C Fe 2 P OB Ce Ce OC PB 0 0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 Tiefe [μm] Al 2 Probenbezeichnung Al 2 Al 2 Probe 1_2 D:\Ergebnisse\MFPA\2014\2014_0121_Innovent_WILKE\Pr ThGOT Leipzig, September INNOVENT e.v. 1_2.raw Technologieentwicklung Folie 16 Innovent_RF_2,5mm_statPMT Mg MFPA Weimar Außenstelle Ilmenau Gustav-Kirchhoff-Str Ilmenau GDS-Bedingungen: 550V,60mA / 2,0 hpa Datum/Zeit: :44:12 Fe 2 - ( 10) C - ( 50) O P - ( 10) B - ( 100) Si - ( 100) Al 2 Mg - ( 10) Ce - ( 10) Mg D:\E

17 Faserlaser Wellenlänge: 1065 nm Zerstörschwelle (Punkt - Array) Tabelle 1 Pulsenergie (mj) Fluenz * Einstrahldauer [mj/cm 2 *s] 0,1 2,33 4,65 11,6 23,3 46, ,09 2,09 4,19 10,5 20,9 41, ,08 1,86 3,72 9,30 18,6 37,2 93, ,07 1,63 3,26 8,14 16,3 32,6 81, ,06 1,40 2,79 6,98 14,0 27,9 69, ,05 1,16 2,33 5,81 11,6 23,3 58, ,04 0,93 1,86 4,65 9,30 18,6 46,5 93, ,03 0,70 1,40 3,49 6,98 14,0 34,9 69, ,02 0,47 0,93 2,33 4,65 9,30 23,3 46,5 93, ,01 0,23 0,47 1,16 2,33 4,65 11,6 23,3 46, ,001 0,002 0,005 0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1 Einstrahldauer (s) Pulsanzahl Fluenz: flächenbezogener Energieeintrag über def. Zeitdauer (Pulsdauer) ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 17

18 Pikosekundenlaser Wellenlänge: 532 nm Zerstörschwelle (Punkt - Array) Tabelle 7 Fluenz x Bestrahldauer [mj/cm² x s] 0,0925 2,15 4,3 10,8 21,5 43,0 107,5 215,1 430,1 1075,4 2150,7 0,0819 1,90 3,8 9,5 19,0 38,1 95,2 190,4 380,9 952,1 1904,3 0,0711 1,65 3,3 8,3 16,5 33,1 82,7 165,3 330,6 826,6 1653,2 Pulsenergie (mj) 0,0597 1,39 2,8 6,9 13,9 27,8 69,4 138,8 277,6 694,1 1388,1 0,0482 1,12 2,2 5,6 11,2 22,4 56,0 112,1 224,1 560,4 1120,7 0,0379 0,88 1,8 4,4 8,8 17,6 44,1 88,1 176,2 440,6 881,2 0,0278 0,65 1,3 3,2 6,5 12,9 32,3 64,6 129,3 323,2 646,4 0,019 0,44 0,9 2,2 4,4 8,8 22,1 44,2 88,4 220,9 441,8 0,0116 0,27 0,5 1,3 2,7 5,4 13,5 27,0 53,9 134,9 269,7 0,0062 0,14 0,3 0,7 1,4 2,9 7,2 14,4 28,8 72,1 144,2 Einstrahldauer (s) 0,001 0,002 0,005 0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1 Pulsanzahl Fluenz: flächenbezogener Energieeintrag über def. Zeitdauer (Pulsdauer) ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 18

19 Punkt - Array Tabelle 1 Puls - ener gie (mj ) Fluenz * Einstrahldauer [mj/cm 2 *s] 0,1 2,33 4,65 11,6 23,3 46, ,09 2,09 4,19 10,5 20,9 41, ,08 1,86 3,72 9,30 18,6 37,2 93, ,07 1,63 3,26 8,14 16,3 32,6 81, ,06 1,40 2,79 6,98 14,0 27,9 69, ,05 1,16 2,33 5,81 11,6 23,3 58, ,04 0,93 1,86 4,65 9,30 18,6 46,5 93, ,03 0,70 1,40 3,49 6,98 14,0 34,9 69, ,02 0,47 0,93 2,33 4,65 9,30 23,3 46,5 93, ,01 0,23 0,47 1,16 2,33 4,65 11,6 23,3 46, ,00 1 0,00 2 0,00 5 0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1 Einstrahldauer (s) Pulsanzahl Parameter: Pulsdauer 120 ns, Pulsfrequenz 10 khz, Geometrie: Punkt-Array (10x10) mit Punktabstand von 0,2 mm Pulsenergie: variabel von µj (P= 0,1-1 W) ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 19

20 Pikosekundenlaser Wellenlänge: 1064 nm Zerstörschwelle (Punkt - Array) Faserlaser Wellenlänge: 1065 nm Eloxalschicht, schwarz, adsorptiv eingefärbt ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 20

21 Pikosekundenlaser Wellenlänge: 1064 nm Zerstörschwelle (Punkt - Array) Faserlaser Wellenlänge: 1065 nm Helle PCO13 Schicht, undotiert ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 21

22 Zerstörschwelle Probe A13_1 (Cr und Cu dotiert) Probe Elox ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 22

23 Zerstörschwelle Probe A13_1 (Cr und Cu dotiert) Probe A13_2 (Co und Ni dotiert) Faserlaser 1065 nm ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 23

24 Zerstörschwelle Probe Dotierung / Schichtdicke Faserlaser 1065 nm Zerstörschwelle [mj/cm² * s] Pikosekundenlaser 355 nm Pikosekundenlaser 532 nm Pikosekundenlaser 1064 nm Elox schwarz - / 20 µm 15,1 73,8 30,7 8,63 Al_13_1, sw Cu / Cr / 8 µm 32,6 5,5 12,9 265,2 Al_13_1_1, sw Cu / Cr / 20 µm 69,8 7,4 6,5 35,4 Al_13_1_3, ws - / 14 µm ,7 25,6 2,9 Al_13_2, sw Co / Ni / 12 µm ,3 5,2 14,8 Al_13_3, sw Fe / Ce / µm ,4 45,3 Al_13_5, sw Fe / Mn / µm 28,2 12,0 9,6 0,7 Al_13_6, sw Fe / Mo / µm 10,6 24,1 6,8 103,6 Ti_22_1, sw / Ti_13_6 Co / Mo / 10 µm 3,49 / 1,2 3,0 / 43,5 0,9 / 48,2 3,0 / 2,9 Dispal_13_1, sw Co / Ni / V / 8 µm 16, M_12_1, sw V / Zn / 10 µm 0,41 29,6 20,9 0,2 ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 24

25 Reflexion [%] Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Spektraler Verlauf der Reflexion der untersuchten Schichtsysteme UV-Vis-NIR Spektren verschiedener Schichten Diodenlaser 980 nm Ultrakurzpulslaser 355 nm Ultrakurzpulslaser 532 nm Faserlaser 1065 nm Ultrakurzpulslaser 1064 nm Wellenlänge [nm] A13_1 A13_2 Ti22_1 D13_1 M12_1 Eloxal A13_1_1 A13_1_2 A13_1_3 ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 25

26 Streuleistung dp (µw) Streulichtmessungen Einfallswinkel bei 632 Θi=45 nm (Einfallswinkel 45 ) Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Streulichtmessungen an PCO - Schichten 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Streuwinkel Θ ( ) Al13_1 Al13_1_2 Al13_3 Fe_Ce Al13_5_5 Al13_6_9 Al13_2 M12_1 Elox ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 26

27 Streuleistung dp (µw) Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Streulichtmessungen an PCO - Schichten Streulichtmessungen Einfallswinkel bei 632 Θi=0 nm (Einfallswinkel 0 ) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Streuwinkel Θ ( ) Al13_1 Al13_1_2 Al13_3 Fe_Ce Al13_5_5 Al13_6_9 Al13_2 M12_1 Elox ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 27

28 Zusammenfassung und Ausblick Mit dem Verfahren der plasmachemischen Oxidation und der Variation der Elektrolytzusammensetzung können hochabsorbierende Schichten mit entsprechender Laserresistenz realisiert werden (vorerst bis 1065 nm) Vorrangig wird dies auf kommerziell verfügbaren Aluminiumlegierungen angewendet Mit der Dotierung von PCO- Schichten kann die Zerstörschwelle angehoben werden Zusammenhang zwischen chemischer Zusammensetzung der Schichten, ihrer Reflektivität, bedingt des Streulichtverhaltens und der Zerstörschwelle Mit einer zusätzlichen Beschichtung mit einer SiO x haltigen CCVD- bzw- APCVD- Schicht kann die Reflektivität weiter abgesenkt werden (< 2%) (bitte beachten Sie bei weiterem Interesse unser Poster Hochabsorbierende Kombinationsbeschichtung auf Leichtmetallsubstraten ) ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 28

29 Danksagung Herrn Wecke, COHERENT GmbH, Lübeck Herrn Bierau, Laser Imaging Systems GmbH, Jena Herrn Conrad, Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH, Jena Dem BMWi als Fördermittelgeber (Projekt Nr.: MF110134) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 29