Kleiner und genauer geht‘s nicht

Laserpulse im Billionstel-Sekunden-Bereich zum Schneiden, Schweißen und Strukturieren

Ultrakurzpulslaser (Kurz UKP-Laser) ist der Oberbegriff für alle Laserquellen, die gepulste Laserstrahlen im Piko- oder Femtosekunden-Bereich erzeugen. Diese sehr kurzen Laserpulse im Bereich von einer billionstel bzw. einer billiardstel Sekunde (≙ 10-12 – 10-15 sec, zum Vergleich: ein menschlicher Lidschlag dauert ca. 300 – 400 Millisekunden) finden vor allem in der Materialbearbeitung, Life Sciences} und Forschung Anwendung. Durch die extrem kurze Zeit, auf die die Energie der emittierten Strahlung konzentriert ist, erreichen UKP-Laser extrem hohe Pulsspitzenleistungen bis in den Megawattbereich, bei zusätzlicher räumlicher Fokussierung sogar bis in den Gigawattbereich. Diese hohen Wirkungsstärken ermöglichen, dass sich nahezu jedes Material, unabhängig von Härte, Verdampfungstemperatur und Absorptionsbereich, abtragen lässt. Grundlage hierfür sind nicht-lineare Effekte, die durch die Wechselwirkung von Licht und Materie entstehen.

Abgrenzung zu anderen Lasern

Greift eine Anwendung zum Materialabtrag, wie z.B. Laserschweißen oder Oberflächenstrukturierung, auf einen UKP-Laser zurück, erfolgt der Abtrag des Materials aufgrund der sehr hohen Temperaturen/kurzen Wechselwirkungszeit durch den direkten Phasenübergang vom festen in den gasförmigen Zustand. Bei der Verwendung anderer Lasertypen führt die Erwärmung des Materials durch den Laserstrahl zunächst zum Schmelzen und erst danach zum Verdampfen. Die (Material)Bearbeitung mittels Ultrakurzpulslasern wird deshalb auch als „kalte Bearbeitung“ bezeichnet. Im Ideal wird die eingebrachte Energie vollständig über die abgetragenen Partikel emittiert. Die zu bearbeitende Materie bleibt, bis auf eine mikroskalige Wechselwirkungszone, vollständig kalt. Neben dem sehr hohen Präzisionsgrad besteht der Vorteil von UKP-Lasern außerdem darin, dass selbst anspruchsvolle Materialien (z.B. empfindliche Verbundwerkstoffe, Polymere und sogar menschliches Gewebe) einfach zu bearbeiten sind. Strukturieren, Bohren und Schneiden verschiedenster Formen sind bis in den Mikrometerbereich möglich.

Dank der genannten Besonderheiten eröffnet die Verwendung von Ultrakurzpulslasern neue Möglichkeiten zur Bearbeitung von Materialien und Oberflächen, die mit konventionellen (Laser)Werkzeugen nicht möglich sind.

Materialbearbeitung durch UKP Laser in der Industrie

Wie bereits erwähnt, wird durch die Verwendung von UKP-Lasern die Temperaturbelastung minimiert. Dadurch ist auch die Bearbeitung sehr dünner (µm-Bereich) oder (wärme)empfindlicher Materialien möglich. Beispielsweise lässt sich Glas mittels UKP-Laser sauber und ohne Risse an den Kanten schneiden. Dies macht UKP-basierte Verfahren auch attraktiv für die Herstellung von Displays (z.B. für Smartphones). Der ultrakurze und dabei intensive Energieeintrag sorgt unabhängig von der Materialdicke, z.B. auch bei Keramiken und Metallen, für ein punktuelles Verdampfen und damit präzise Schnittkanten und Strukturen. Punktuelle Bearbeitung, wie z.B. Bohren, ist bis in den µm-Bereich möglich und findet unteranderem in der Photovoltaikfertigung Anwendung.

Nicht nur zum Laserschneiden, auch zum Laserschweißen können UKP-Laser eingesetzt werden. Das thermische Verfahren kann Klebstoffe ersetzen und sorgt dafür, dass auch verschiedene Materialien fest miteinander verbunden sind. Auch für die dem Schweißen vorangestellte Oberflächenstrukturierung/Aufrauhung der Materialoberflächen können Ultrakurzpulslaser eingesetzt werden. In manchen Anwendungen kann eine Oberflächenstrukturierung per UKP-Laser sogar die Beschichtung ersetzen.

Dank ihrer Präzision finden Ultrakurzpulslaser vermehrt Anwendung in der Halbleiterindustrie, wie dem Waferschneiden. Sie werden hier für mikrometergenaue Bohrlöcher und die Verbindung der sehr feinen Leiterbahnen verwendet. Das Abtragen von Silizium-Wafern ist ohne Beschädigungen und Risse möglich.

Neben der beschriebenen hohen Strukturqualität und geringen Oberflächenschädigung macht sich die Lasermarkierung/-beschriftung auch die chemische Resistenz der UKP Bearbeitung zum Vorteil. Für die Erzeugung von Kennzeichnungen, bspw. auf Bauteilen oder Produkten, sind Laser bereits erprobte Werkzeuge. UKP-Laser ermöglichen dauerhafte Markierungen gratfrei bis in einstelligen Mikrometerbereich.

Ultrakurzpulslaser in Medizin und Wissenschaft

Die Vorzüge präziser Schnittkanten und sauberer Bearbeitung lassen sich auch auf den Medizinsektor anwenden. In der Medizintechnik genutzte Keramiken, wie z.B. Aluminiumoxid oder Zinkoxid, die dank ihrer mechanischen, thermischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften zunehmend Verwendung finden, können mittels UKL-Laser genau zugeschnitten und ohne Risse bearbeitet werden. Mikroschnitte generiert durch Ultrakurzpulslaser sind u.a. für die Herstellung von Stents unerlässlich.

Nicht nur für die Bearbeitung von Materialien, auch für Behandlungen am menschlichen Körper werden Ultrakurzpulslaser in der Medizin genutzt. Im Bereich der Ophthalmologie werden sie z.B. für die Behandlung von Grauem Star eingesetzt und ermöglichen hochpräzise, schädigungsarme Schnitte im Auge. Bei der Entfernung von Tätowierungen werden UKL-Laser dazu genutzt, die Farbpartikel in der Haut zu pulverisieren. Ein Tattoo wird entfernt, ohne dass umliegendes Gewebe dabei beschädigt wird.

In der Wissenschaft ermöglichen UKP-Laser die Beobachtung, Erfassung und Beeinflussung ultra-schneller Prozesse und finden z.B. in verschiedenen spektroskopischen und mikroskopischen Verfahren Anwendung. Beispiele hierzu sind Laser-Scanning-Mikroskopie (z.B. Multiphotonenmikroskopie), Ultrakurzzeit-Spektroskopie (umfasst alle spektroskopischen Messverfahren mit zeitlicher Auflösung im Femtosekunden-Bereich) oder optische Kohärenztomografie (medizinisches Diagnoseverfahren durch Licht mit geringer Kohärenzlänge zur Entfernungsmessung von streuenden Materialien).

Von der Mikro- zur Makrobearbeitung – Künftige Entwicklung von UKP-Lasern

In Materialbearbeitung, Medizin und Wissenschaft konnten sich UKP-Laser längst gut etablieren und überzeugen durch ihre Vorzüge, wie:

• starke Lokalisierung des Energieeintrags (am Auftreffpunkt/nanoskalige Wechselwirkungszone)
• Vermeidung von Schmelzablagerungen
• gezielte Nutzung nicht-linearer Absorptionsmechanismen
• sehr hoher Präzisionsgrad und Strukturqualität
• Bearbeitung sehr dünner Materialien bin in den µm-Bereich

Auch die Industrie lernt ihre Vorzüge immer mehr zu schätzen. Ansätze, UKP-Laser innerhalb der Serienfertigung einzusetzen, werden bereits seit mehreren Jahren getestet und weiterentwickelt. Einen weiteren Sprung wird die Technologie durch höhere Laserleistungen machen. Erste Ultrakurzpulslaser mit mehreren hundert Watt und sogar mehr als einem Kilowatt Leistung sind bereits auf dem Markt erhältlich und ermöglichen Bearbeitungsverfahren im Makrobereich. Mittelfristig wird durch höhere Leistungen auch die Bearbeitung ultra-harter Materialien möglich werden.