Verbesserte Lasermaterialbearbeitung durch Strahlformer von asphericon

Obgleich Gauß'sche Strahlprofile zur Erzeugung kleiner Strukturgrößen durch direkten Materialabtrag verwendet werden können, weisen sie Schwächen hinsichtlich Abtragtiefe und Qualität auf. Durch ihre charakteristische Profilform nimmt die Intensität an den Rändern des Strahls ab und verursacht inhomogene Ablationen. In Kooperation mit dem Otto-Schott-Institut für Materialforschung in Jena, analysierte asphericon verschiedene fokussierte Intensitätsverteilungen (z.B. Top-Hat, Donut) hinsichtlich ihrer Eignung für die Materialbearbeitung mit Femtosekunden-Lasern.

Projektdetails

Strahlformungsprozesse eignen sich besonders für die Lasermaterialbearbeitung, wie Schneiden, Schweißen und Markieren im Bereich der Mikrobearbeitung. Mit Gauß'schen Intensitätsverteilungen lassen sich zwar kleine Strukturgrößen durch direkten Materialabtrag realisieren, jedoch nimmt die Intensität an den Rändern des Strahls ab, verursacht einen inhomogenen Abtrag und beeinflusst so Abtragstiefe und -qualität. Neben der Optimierung der Laser- und Bearbeitungsparameter bietet die Anpassung der fokalen Intensitätsverteilung großes Potenzial für hochpräzise Ergebnisse. In Zusammenarbeit mit dem Otto-Schott-Institut für Materialforschung (OSIM) in Jena hat asphericon verschiedene maßgeschneiderte Intensitätsverteilungen (z.B. Top-Hat, Donut) auf ihre Eignung für die Lasermaterialbearbeitung mit Femtosekunden-Lasern im Mikro- und Nanobereich, wie Schneiden und Markieren, untersucht.

Projektrealisierung

Um verschiedene fokussierte Intensitätsverteilungen (insbesondere Top-Hats) zu erzeugen, wurde asphericon's a|AiryShape eingesetzt. Dieser wandelt zunächst einen kollimierten Gauß-Strahl mit Hilfe einer Phasenplatte in ein kollimiertes Airy- oder Bessel-sinc-förmiges Intensitätsprofil um. Anschließend wird mittels einer Fokussierlinse eine Fourier-Transformation der Intensitätsverteilung des Eingangsstrahls durchgeführt. Im Fokus entsteht eine Top-Hat Verteilung, da Fourier- und Airy-Verteilung ein Fourier-Transformationspaar bilden. Mit dem a|AiryShape lassen sich mehrere Intensitätsverteilungen (z.B. Top-Hat, Donut) in verschiedenen Arbeitsebenen mit einem Aufbau erzeugen. Dabei überzeugt er vor allem durch seine extrem kurze Baulänge (17,3 mm).

Abbildung: Vergleich zwischen Gauß'schem, Donut und Top-Hat Profil. a – c = Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (SEM) der kanalartigen Strukturen von Pulsen, die durch fs-Laserablation generiert wurden (einzelne Abtastlinie v=0,1 m/s, 1000 Iterationen, Eim=11,3 µJ in Abhängigkeit der Anzahl der Overscans mit verschiedenen fokalen Intensitätsverteilungen); d – f = Weißlicht-Interferenzmikroskopie (WLIM) Mikroaufnahmen, 3D-Geometrie der entsprechenden Kanäle, gewonnen aus zehn Overscans

Abbildungen a - c zeigen die mit verschiedenen Strahlprofilen durchgeführten Zeilenscans. Im Vergleich zum (inhomogenen) Gaußprofil (Abb. a/d) weisen die mit dem a|AiryShape erzeugten Strahlprofile (b/e: Donut; c/f: Top-Hat) einen sehr homogenen Abtrag auf. Der Beam Shaper eignet sich für die Arbeit mit einem Scanner und einer F-Theta-Linse, wie sie in der Materialbearbeitung üblich sind. Folgende SEM-Aufnahmen (= rasterelektronenmikroskopische Aufnahme, nach engl. Bezeichnung „scanning electron micrograph“) zeigen die Ergebnisse einzelner Spots auf Edelstahl in Abhängigkeit des Femtosekunden-Laserpulses (N=200). Donut und Top-Hat weisen aufgrund der Verteilung der Pulsenergie auf eine größere Fläche geringere Ablationstiefen auf (Bereich 5-10 µm). Dies ermöglicht z.B. einen gleichmäßigeren Materialabtrag.

Abbildung: Ergebnisse von einzelnen Spots auf Edelstahl. Donut und Top-Hat Profil erzeugen aufgrund der Pulsenergieverteilung auf eine größere Fläche geringere Ablationstiefen.

Optiken zur Lasermaterialbearbeitung auf einen Blick:

Kompakter Strahlformer zur Erzeugung verschiedener Strahlprofile im Fokus (Top-Hat, Donut, Beam waist) in verschiedenen Arbeitsebenen
Vergrößerung der Kanalbreiten und kleinere Ablationstiefen aufgrund der homogeneren Verteilung der Pulsenergie auf einen größeren Bereich

Mehr über das Prinzip unseres Strahlformers a|AiryShape erfahren Sie unter: asphericon.com/produkte/beamtuning/strahlformung