Strukturierung (LIPSS) mit Top-Hat Profilen
Referenzprojekt
Laserinduzierte Strukturierung mit fokalen Intensitätsverteilungen
Trotz des Intensitätsverlusts zum Profilrand hin und damit verbundenen Inhomogenitäten, werden bevorzugt Gauß’sche Intensitätsverteilungen zur Strukturierung von Oberflächen verwendet. In Zusammenarbeit mit dem Otto-Schott-Institut für Materialforschung in Jena analysierte asphericon die Auswirkung von Top-Hat Verteilungen hinsichtlich ihrer Eignung für die Erzeugung laserinduzierter periodischer Oberflächenstrukturen (LIPSS) auf Edelstahl.
Projektdetails
Obwohl Gauß’sche Intensitätsverteilungen zur direkten Oberflächenstrukturierung genutzt werden können, weisen sie Schwächen hinsichtlich der Qualität auf. Die Intensität des Profils nimmt an den Rändern des Strahls ab und verursacht Inhomogenitäten. Eine Anpassung der fokalen Intensitätsverteilung bietet hier großes Potenzial. Die Strahlformungskomponente a|AiryShape sorgt dafür, dass mit einem Aufbau mehrere Intensitätsverteilungen in verschiedenen Arbeitsebenen erzeugt werden können. In Zusammenarbeit mit dem Otto-Schott-Institut für Materialforschung (OSIM) in Jena hat asphericon verschiedene maßgeschneiderte Intensitätsverteilungen (z.B. Top-Hat, Donut) hinsichtlich ihrer Eignung für die Erzeugung von laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS, nach engl. Bezeichnung „laser-induced periodic surface structures") auf Edelstahl untersucht.
Projektrealisierung
LIPSS entstehen durch Interferenzeffekte im Spot des fokussierten Laserstrahls auf der Materialoberfläche. Sie sind viel kleiner als die durch direkten Materialabtrag erzeugten Muster und wirken wie ein Gitter, wobei ihr Satzreihe nahe der ursprünglichen Laserwellenlänge liegt. Abbildung a zeigt ein LIPSS-Muster, erzeugt durch nicht-idirektionales Scannen der Oberfläche zwischen zwei benachbarten Scanlinien und das Gaußsche Strahlprofil in der Strahltaille. Der dazugehörige Fokusdurchmesser (2wf = 34 μm) ist durch den Kreis in der SEM-Aufnahme (= rasterelektronenmikroskopische Aufnahme, nach engl. Bezeichnung „scanning electron micrograph“) gekennzeichnet.
Abbildung: Aufnahmen eines Rasterelektronenmikroskops der mit LIPSS strukturierten Edelstahloberflächen; weiße Kreise zeigen Durchmesser des Strahls im Fokus an, weiße Pfeile die Richtung; Einschübe zeigen Querschnitte der Strahlprofile
Es wird deutlich, dass die erzeugten gitterartigen Strukturen aus sehr regelmäßigen LIPSS bestehen, die senkrecht zur linearen Polarisation ausgerichtet sind. Die mikroskopische Aufnahme zeigt, dass LIPSS trotz des zeilenweisen Abtastprozesses über eine große Fläche kohärent geschrieben werden können. Die Eigenschaften des Gitters in Bezug auf räumliche Periode, Orientierung und Homogenität lassen sich mit Aufnahmen eines Rasterelektronenmikroskops quantitativ beschreiben. Die Top-Hat-Profile (Abb. b und c) wurden mit dem a|AiryShape erzeugt. Die SEM-Aufnahme in Abbildung c deutet darauf hin, dass die Scangeschwindigkeit ohne weitere Optimierung der Bearbeitungsparameter verdoppelt werden kann. Die berechnete Fourier-Transformation zeigt, dass die Qualität des Oberflächenmusters nahezu konstant geblieben ist, während die Bearbeitungszeit um den Faktor 2 reduziert werden konnte (ca. 30 s pro cm2). Dies stellt einen wesentlichen Vorteil für die wirtschaftliche Skalierung des Strukturierungsprozesses auf großen Flächen dar.
Optiken zu Oberflächenstrukturierung (LIPSS) auf einen Blick:
- Kompakter Strahlformer zur Erzeugung eines fokussierten Top-Hat Strahls
- Verdopplung der Scangeschwindigkeit
- Reduzierung der Verarbeitungszeit um Faktor 2 bei konstanter Qualität des Oberflächenmusters
Mehr über das Prinzip unseres Strahlformers a|AiryShape erfahren Sie unter: asphericon.com/loesungen/produkte/beamtuning/strahlformung/
