Beam Shaper für quadratische Top-Hats im Fokus
Referenzprojekt
Quadratische Intensitätsprofile für verbesserte Ergebnisse in der Lasermaterialbearbeitung
Laser-basierte Verfahren haben sich vor allem im Bereich der additiven Fertigung etabliert. Sie ermöglichen unter anderem die Anpassung der Intensitätsverteilung an den gewünschten Wechselwirkungsprozess zwischen Material und Laserstrahl. In einer Kooperationsarbeit mit dem Otto-Schott-Institut für Materialforschung (OSIM) in Jena konnte die Produktpalette der asphericon BeamTuning-Serie um ein neuartiges refraktives Strahlformungselement erweitert werden. Der a|SqAiryShape liefert unterschiedliche quadratische Intensitätsverteilungen im Fokus und erlaubt die Optimierung der Bearbeitungszeit sowie der Prozesskontrolle mit hervorragenden Oberflächenqualitäten im Bereich der Oberflächennanostrukturierung.
Projektdetails
Innerhalb der Lasermaterialbearbeitung gewinnt die Qualität der Laserstrahlung im Fokus des Bearbeitungsspots zunehmend an Bedeutung. Besonders die Form der Laserstrahlung rückt dabei in den Mittelpunkt, da mittels Strahlformung das fokale Intensitätsprofil an die jeweilige spezifische Bearbeitungsaufgabe flexibel und präzise angepasst werden kann. Durch Gauß´sche Intensitätsprofile sind zwar Materialabträge in kleinsten Abmessungen möglich, jedoch weisen sie Inhomogenitäten auf und ihre Intensität nimmt zum Rand hin deutlich ab. Letzteres macht sich in der Beeinflussung der Abtragstiefe und -qualität bemerkbar. Vielversprechende qualitative Bearbeitungsergebnisse im Bereich der Lasermaterialbearbeitung lassen sich mit quadratischen Top-Hat-Profile realisieren. Diese weisen eine deutlich homogenere Energieverteilung über den gesamten Querschnitt der Bearbeitungsebene auf. Durch die Zusammenarbeit von asphericon und dem Otto-Schott-Institut für Materialforschung in Jena konnte erfolgreich die Entwicklung und Erprobung eines neuen refraktiven Strahlformers umgesetzt werden. Dieser ermöglicht, das Intensitätsprofil des Laserstrahls so zu transformieren, dass maßgeschneiderte, quadratische Intensitätsprofile generiert werden können. In Kombination mit einer Fokussieroptik konnte die vielversprechende Anwendung des Strahlformers durch die Generierung von laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS) demonstriert werden.
Generierung quadratischer Top-Hat-Profile
Die Erzeugung von Top-Hat-Profilen kann durch verschiedenste Techniken (z.B. Lichtmodulation, refraktive/diffraktive Elemente, Aperturen) erfolgen. Gegenüber beispielweise diffraktiven Strahlformungselementen, weisen refraktive Elemente eine Vielzahl an Vorteilen auf:
- Neben einer einfachen Herstellung,
- besitzen sie eine hohe Konversionseffizienz sowie
- eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Wellenlängenänderungen und
- sind resistenter gegenüber hohen Laserleistungen.
Der Ansatz der Strahlformung durch den a|SqAiryShape basiert auf der Kombination eines refraktiven Strahlformers und einer Fokussieroptik. Die Fokussieroptik kann dabei entweder eine einfache Fokussierlinse oder ein für die Lasermaterialbearbeitung übliches komplexes f-theta-Objektiv sein. Der a|SqAiryShape fungiert in diesem Zusammenhang als Freiformfläche und prägt dem kollimierten Laserstrahl eine definierte Phasenmodulation auf. Die nachfolgende Fokussieroptik modifiziert den eintreffenden Strahl schließlich über eine Fouriertransformation in die gewünschte Form. Das Set-up zur Charakterisierung der entstehenden Strahlprofile ist in Abb. 1 veranschaulicht. Die Abbildung zeigt außerdem die verschiedenen im Brennpunkt entstehenden Intensitätsverteilungen (Top-Hat, Donut).
Abb.1: Versuchsaufbau zur Charakterisierung des strahlformenden Freiformelements
Abbildung 2 zeigt Querschnitte der Strahltaillen entlang der optischen Achse ohne a|SqAiryShape (a) und mit a|SqAiryShape (b) sowie die farbige Darstellung der quadratischen Fokusintensitätsverteilung des im Brennpunkt entstandenen Top-Hat-Profils (c). Die Strahlformung tritt ausschließlich im Bereich des Brennpunktes auf, wobei die Gauß´sche Verteilung mit Strahlformer (b) deutlich abgeflachter ist (blau schraffierter Bereich), als die ohne (a).
Abb.2: Verschiedene Darstellungen des gemessenen Strahlprofils: (a) Querschnitt entlang der optischen Achse ohne a|SqAiryShape, (b) Querschnitt entlang der optischen Achse mit Strahlformungselement, (c) farbige Darstellung der gemessenen quadratischen Fokusintensitätsverteilung
Projektergebnisse
Erprobung des Strahlformers durch Oberflächenstrukturierung
Die Erprobung des Strahlformers erfolgte mit Hilfe von Oberflächenstrukturierungsexperimenten durch die Generierung von Laserinduzierten periodischen Strukturen (LIPSS). LIPSS sind periodische Muster im sub-µm-Bereich. Sie entstehen durch Interferenzeffekte im Spot des fokussierten Laserstrahls an der Materialoberfläche und treten bei Metallen senkrecht zur linearen Strahlposition auf. Als Substratmaterial wurden Stahlproben verwendet, die vorab geschliffen, poliert und gereinigt wurden und eine mittlere quadratische Rauigkeit von R_a=4 nm aufweisen. Der Versuchsaufbau während des Strukturierungsprozesses ist in Abbildung 3 dargestellt. Ein fs-Laser [1] sendet linear polarisiertes Licht aus, welches über a|BeamExpander 5-fach aufgeweitet und über den a|SquAiryShape [2] modifiziert wird. Über einen Galvanometerscan [3] und einer F-Theta-Linse [4] wird dieses schließlich in die gewünschte Bearbeitungszone [5] fokussiert.
Abb.3: Versuchsaufbau bei den Oberflächenstrukturierungsexperimenten
Zunächst wurden die Eigenschaften der Intensitätsverteilung ohne Strahlformer als Referenz erfasst. Dafür wurde die Probenoberfläche mit 10 Pulse (f_rep=100 kHz) bei einer Pulsenergie von E_imp=6,5 µJ und einer Laserspitzenfluenz von F=2,9 J/cm² bestrahlt, wodurch sich ein Brennfleckdurchmesser von 2wf= (24 ±0,5) mm ergibt. Zur Untersuchung der Schmelzbildung mit a|SqAiryShape werden in verschiedenen Arbeitsabständen (z-Achse) zur Probenoberfläche Ablationspunkte bei einer konstanten Pulsenergie von E_imp=6,5 µJ generiert. Die Ergebnisse wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) erfasst und sind in Abbildung 4 veranschaulicht.
Abb.4: REM-Aufnahmen der Probenoberflächen nach Bestrahlung mit je 10 linear polariserten fs-Einzelpulsen in verschiedenen z-Positionen zur Probenoberfläche im Bereich der fokalen Intensitätsverteilung bei einer konstanten Einzelpulsenergie von E_imp=6,5 µJ
An den Referenzpunkten z=0 und z= -0,6 mm weisen die vorliegenden Ablationspunkte quadratische Top-Hat-Profile auf, welche zu quadratischen Materialabträgen von 30x30 µm² (0,72 J/cm²) und 40x40 µm² (0,4 J/cm²) führen. Diese sind prädestiniert für Lasermaterialbearbeitungsaufgaben. Im Vergleich zu Gauß-förmigen Brennpunkten und unter Annahme einer perfekten, rechteckigen Intensitätsverteilung führen größere, rechteckige Top-Hat-Profile bei gleichbleibender Pulsenergie zu geringeren Laserspitzenintensitäten. Neben diesem Aspekt bietet der a|SqAiryShape außerdem weitere Zwischenstufen für zusätzliche, ausgefallenere Intensitätsverteilungen, die sich für die Erzeugung neuartiger Strukturen eignen.
An der Position z= -1,0 mm kann eine Donut-förmige Intensitätsverteilung beobachtet werden, während bei Position z= -0,35 mm eine komplett umgekehrte Intensitätsverteilung mit hoher Intensität in der Mitte vorliegt (Beam Waist). Zudem zeigen die REM-Aufnahmen eine gut definierte und homogene LIPSS-Verteilung im Ablationsfleck, die im Wesentlichen von der Intensitätsverteilung und damit von der z-Position abhängt. Damit bietet der Beam Shaper die Möglichkeit, die LIPSS-Verteilung über die Wahl des Strahlprofils zu steuern und sorgt somit für eine hohe Flexibilität im Strukturierungsprozess.
Darüber hinaus ist die Skalierung der LIPSS-Bildung auf größere Oberflächen über die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Probenoberfläche möglich. Im Vergleich zur Strukturierung mit einem Gauß´schen Strahlprofil, können mit einem Top-Hat-Profil (z=0), dessen quadratischer Form, dem größeren Strahldurchmesser sowie den steileren Kanten nahezu identische LIPSS-Strukturen bei geringeren Laserpulsenergien, höheren Scangeschwindigkeiten (Faktor 2) und Linienabständen generiert werden.
Qualitative Untersuchung des Einflusses der Intensitätsverteilung auf Mikrostrukturierung
Zur Untersuchung des Einflusses der Intensitätsverteilung auf die generierten Oberflächenstrukturen und deren Oberflächenqualität, wurden mittels Top-Hat- und Donut-Profil Kanäle unter Verwendung unterschiedlicher Pulsenergien erzeugt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 5 dargestellt. Generell lassen sich durch Top-Hat- oder Donut-Strahlprofile im Vergleich zu Gauß-Profilen steilere Kanalwände und vor allem bessere Oberflächenqualitäten im Kanalboden erzielen. Besonders hohe Oberflächenqualitäten an Wand und Boden der Kanäle lassen sich durch die Verwendung von moderaten Pulsenergien mit homogenen Intensitätsverteilungen über das Strahlprofil herstellen (vgl. Abb. 5a & 5b). Im Gegensatz dazu, führen jedoch hohe Pulsenergien und große LaserspitzenIntensitäten zu inhomogenen und rauen Oberflächen am Kanalboden (vgl. Abb. 5c). Tiefe und Breite der Kanäle kann darüber hinaus ebenfalls über die Pulsenergie gesteuert werden und nimmt mit steigender Pulsenergie zu (Vgl. Abb. 5d).
Abb.5: WLIM-Aufnahmen der Probenoberfläche mit Angabe der Oberflächenrauheit zur Veranschaulichung der 3D-Geometrie der kanalartigen Strukturen (10 Scans mit v=0,1 m/s unter Verwendung des Top-Hat-Profils und verschiedenen Pulsenergien): a) E_imp=2,5 µJ , b) E_imp=4,6 µJ, c) E_imp=7 µJ, d) Vergleich der Kanalquerschnitte
Für die Strukturierung großflächiger Oberflächen kann das Strahlprofil flexibel durch die Variation des Arbeitsabstandes zur Probenoberfläche (z-Achse) in ein quadratisches, Donut-förmiges Strahlprofil umgewandelt werden (entspricht Strahlprofil z= -0,9 mm in Abb. 4). Donut-förmige Strahlprofile weisen im Zentrum eine Intensität von nahezu Null auf, wodurch in diese Bereiche keine hochintensive Laserstrahlung gelangt und dort nur sehr wenig Materialabtrag generiert wird. Infolgedessen ergibt sich im Querschnitt ein w-förmiges Profil (vgl. Abb. 6 c), mit welchem bei geeigneten Scanlinienabstand überlappende, nanoskalige periodische Muster (LIPSS) mit homogenen und regelmäßigen Oberflächen aufgetragen werden können (Vgl. Abb. 6a & b). Im vorliegenden Beispiel konnten auf diese Weise mit 10 Scans bei einer Scangeschwindigkeit v=0,1 m/s und einer Pulsenergie E_imp=4,6 µJ Kanalbreiten von 40 µm und Ablationstiefen von 10 µm erzeugt werden.
Abb.6: Auf Edelstahl generierter Mikrokanal unter Verwendung eines quadratischen Donut-förmigen Strahlprofil (z=-0,9 mm) bei 10 Scans mit v=0,1 m/s und einer Einzelpulsenergie von E_imp= 4,6 µJ: (a) REM-Aufnahme, (b) WLIM-Aufnahme, (c) Hohenprofil im Querschnitt
Vorteile des a|SqAiryShape bei der Strukturierung von LIPSS auf einen Blick:
- Hohe Flexibilität bei der Erzeugung verschiedener quadratischer Strahlprofile durch Variation des Arbeitsabstandes (z-Achse)
- Reduzierung der Prozesszeiten bei der Strukturierung von Laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS) mit hoher Prozessstabilität unter Verwendung geringer Laserpulsenergien
- Ermöglichung einer großflächigen Strukturierung
- Hohe Regelmäßigkeit der Periodizität von LIPSS-Strukturen
- Generierung steiler, präziser Kanalwände mit hohen Oberflächenqualitäten
Weiterführende Informationen: Schlutow, H.; Fuchs, U.; Müller, F.A.; Gräf, S. Squared Focal Intensity Distributions for Applications in Laser Material Processing. In: Materials 2021, 14, 4981.
https://doi.org/10.3390/ma14174981
Mehr über das Prinzip unseres Strahlformers a|AiryShape erfahren Sie unter: asphericon.com/loesungen/produkte/beamtuning/strahlformung/
