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
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
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
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
Reflexion [%] Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Stand der Technik bei optomechanischen Komponenten Reflexionsspektren von schwarz Eloxal (adsorptive + elektrol. Färbung) 100 90 80 Diodenlaser 980 nm 70 60 50 Faserlaser 1065 nm 40 30 20 Ultrakurzpulslaser 355 nm Ultrakurzpulslaser 532 nm Ultrakurzpulslaser 1064 nm 10 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Wellenlänge [nm] PCO13 black Eloxal, adsorptiv Eloxal_elektrolyt. ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 5
Streulichtleistung dp [µw] Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Stand der Technik bei optomechanischen Komponenten Streulichtmessungen Streulichtmessung bei 632 bei nm Einfallswinkel (Einfallswinkel 45 45 ) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-90 -70-50 -30-10 10 30 50 70 90 Streulichtwinkel [ ] Eloxal, adsorptiv Eloxal, elektrol. PCO13 black ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 6
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 0,0-90 -70-50 -30-10 10 30 50 70 90 Streulichtwinkel [ ] Eloxal, adsorptiv Eloxal, elektrol. PCO13 black ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 7
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) 1065 1064, 532, 355 Leistung (W) 100 18 (1064), 8 (532) 6 (355) Pulsspitzenleistung (kw) Pulsfrequenz (khz) 8,3 14000 2-100 80-1000 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
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
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
Plasmachemische Oxidation Stromdichte: 0,5-5 A/dm 2 Badspannung: 500V DC oder gepulst Frequenz: Temperatur: 10 1.600 Hz 20-45 C ph- Wert: 5-12 Leitwert: 20-80 ms/cm Gezielte Beeinflussung der chemischen Zusammensetzung der Schichten möglich ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 11
Plasmachemische Oxidation Charakteristische Funkenentladungen Abrasterung des zu beschichtenden Teiles Gleichmäßiger Schichtaufbau Schichtdicke kontrolliert Ende der Beschichtung Legierungsunabhängig 3 Mg + 2 PO 4 3- + OH - ; - 6e - Mg x (PO y ) z, amorph Beispielreaktion ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 12
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
nz. [%] Atomkonz. [%] Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Probenbezeichnung: GDS-Bedingungen: Datum/Zeit: Probe 4 25W,3p / 0,0 21.06.2007 13:42:46 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 2 80 70 60 50 40 30 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 0 5 10 15 20 Tiefe [µm] 100 ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 14 90
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: 21.06.2007 14:05:17 GDOES- Analyse der Schichtzusammensetzung 100 Probe PCO 13 black (Co und Ni dotiert) Al 2 Al 2 Al 2 90 80 70 60 50 40 30 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) 20 10 Co P V CNi S CNi Co OP SV CNi Co OP SV CNi Co OP SV 0 0 5 10 15 20 Tiefe [µm] ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 15 100 90
Massekonz. [%] Massekonz. [%] Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik 100 90 80 70 60 50 40 30 20 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. 5 98693 Ilmenau GDS-Bedingungen: 550V,60mA / 2,0 hpa Datum/Zeit: 21.01.2014 14:44:12 Fe 2 - ( 10) C - ( 50) O P - ( 10) B - ( 100) Si - ( 100) Al 2 Mg - ( 10) Ce - ( 10) Mg D:\E
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 46,5 116 233 465 1163 2325 0,09 2,09 4,19 10,5 20,9 41,9 105 209 419 1046 2093 0,08 1,86 3,72 9,30 18,6 37,2 93,0 186 372 930 1860 0,07 1,63 3,26 8,14 16,3 32,6 81,4 163 326 814 1628 0,06 1,40 2,79 6,98 14,0 27,9 69,8 140 279 698 1395 0,05 1,16 2,33 5,81 11,6 23,3 58,1 116 233 581 1163 0,04 0,93 1,86 4,65 9,30 18,6 46,5 93,0 186 465 930 0,03 0,70 1,40 3,49 6,98 14,0 34,9 69,8 140 349 698 0,02 0,47 0,93 2,33 4,65 9,30 23,3 46,5 93,0 233 465 0,01 0,23 0,47 1,16 2,33 4,65 11,6 23,3 46,5 116 233 0,001 0,002 0,005 0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1 Einstrahldauer (s) Pulsanzahl 10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 10000 Fluenz: flächenbezogener Energieeintrag über def. Zeitdauer (Pulsdauer) ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 17
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 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000 50000 100000 Fluenz: flächenbezogener Energieeintrag über def. Zeitdauer (Pulsdauer) ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 18
Punkt - Array Tabelle 1 Puls - ener gie (mj ) Fluenz * Einstrahldauer [mj/cm 2 *s] 0,1 2,33 4,65 11,6 23,3 46,5 116 233 465 1163 2325 0,09 2,09 4,19 10,5 20,9 41,9 105 209 419 1046 2093 0,08 1,86 3,72 9,30 18,6 37,2 93,0 186 372 930 1860 0,07 1,63 3,26 8,14 16,3 32,6 81,4 163 326 814 1628 0,06 1,40 2,79 6,98 14,0 27,9 69,8 140 279 698 1395 0,05 1,16 2,33 5,81 11,6 23,3 58,1 116 233 581 1163 0,04 0,93 1,86 4,65 9,30 18,6 46,5 93,0 186 465 930 0,03 0,70 1,40 3,49 6,98 14,0 34,9 69,8 140 349 698 0,02 0,47 0,93 2,33 4,65 9,30 23,3 46,5 93,0 233 465 0,01 0,23 0,47 1,16 2,33 4,65 11,6 23,3 46,5 116 233 0,00 1 0,00 2 0,00 5 0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1 Einstrahldauer (s) Pulsanzahl 10 20 50 100 200 500 100 0 200 0 5000 1000 0 Parameter: Pulsdauer 120 ns, Pulsfrequenz 10 khz, Geometrie: Punkt-Array (10x10) mit Punktabstand von 0,2 mm Pulsenergie: variabel von10-100 µj (P= 0,1-1 W) ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 19
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
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
Zerstörschwelle Probe A13_1 (Cr und Cu dotiert) Probe Elox ThGOT Leipzig, September 2014 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Folie 22
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
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 465 74,7 25,6 2,9 Al_13_2, sw Co / Ni / 12 µm 419 23,3 5,2 14,8 Al_13_3, sw Fe / Ce / 25 40 µm 349 1197 25,4 45,3 Al_13_5, sw Fe / Mn / 10 40 µm 28,2 12,0 9,6 0,7 Al_13_6, sw Fe / Mo / 10 30 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 16,3 - - - 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
Reflexion [%] Hochabsorbierende Beschichtungen für die Lasertechnik Spektraler Verlauf der Reflexion der untersuchten Schichtsysteme UV-Vis-NIR Spektren verschiedener Schichten 100 90 80 Diodenlaser 980 nm 70 60 50 40 30 Ultrakurzpulslaser 355 nm Ultrakurzpulslaser 532 nm Faserlaser 1065 nm Ultrakurzpulslaser 1064 nm 20 10 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 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
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 0,1 0-90 -70-50 -30-10 10 30 50 70 90 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
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 0,1 0-90 -70-50 -30-10 10 30 50 70 90 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
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
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