Wechselwirkungsmechanismen beim Einsatz eines hochrepetierenden Ultrakurzpulslasers zur 3D-Mikrostrukturierung von Metallen

摘要

Die Ultrakurzpuls-Lasertechnologie eroffnet aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften insbesondere dem Bereich der Mikrobearbeitung eine Vielzahl neuer Anwendungsfelder. Bedingt durch den extrem kurzen und definierten Energieeintrag sind im bestrahlten Werkstuck keine bzw. nur geringfugige thermische oder mechanische Schadigungen zu erwarten, so dass beispielsweise Metalle nahezu schmelzfrei oder Glaser rissfrei bearbeitet werden konnen. Trotz der einzigartigen Vorteile, die die Ultrakurzpulslasertechnik hinsichtlich Prazision, Effizienz und Bearbeitungsqualitat bietet, sind Anwendungen derzeit weitestgehend nur aus der Grundlagenforschung bzw. aus industriellen Entwicklungsprojekten bekannt. Der Einsatz der Technologie fur industrielle Anwendungen ist dagegen bedingt durch die geringen verfugbaren Laserleistungen von nur einigen wenigen Watt bzw. Pulswiederholraten im kHz-Bereich stark limitiert. Mit der kommerziellen Verfugbarkeit einer neuen Generation von Ultrakurzpuls-Lasersystemen stehen nun seit einiger Zeit leistungsstarke und robuste Strahlquellen bereit, welche die fur einen Materialabtrag erforderliche hohe Pulsenergie grosser der Abtragschwelle bei gleichzeitig hoher Pulswiederholrate bereitstellen und damit der industriellen Forderung nach hoher Bearbeitungsqualitat in industrierelevanter Prozesszeit gerecht werden konnen. Erste Untersuchungen zum Einsatz hochrepetierender Femtosekunden-Laserstrahlung zum Abtragen von Metallen zeigten einerseits Effekte von Warmeakkumulation und Partikelabschirmung, wie sie als Phanomen der Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Materie bei der Bearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen bislang nicht beobachtet wurden [1]. Andererseits bildeten sich bei Einstrahlung hoher mittlerer Laserleistungen auch laserinduzierte Mikroformationen aus, die sich nachteilig auf die Oberflachenqualitat bzw. Rauigkeit der abgetragenen Strukturen auswirkten [2]. Zudem stellte insbesondere im Bereich der dreidimensionalen Mikrostrukturierung die Verbindung von hochrepetierender Laserstrahlung mit einem Galvanometerspiegel-Scanner zur schnellen Strahlablenkung ein weiteres Problem dar. Bedingt durch das Beschleunigen oder Abbremsen des Scannerspiegels treffen am Anfang und am Ende einer laserabgetragenen Linie eine erhohte Anzahl von Laserpulsen auf das Werkstuck, was in einem erhohten Materialabtrag und damit Undefiniert ausgepragten Randbereichen der 3D-Strukturen resultiert. In dieser Arbeit werden Ergebnisse der Untersuchungen zur 3D-Mikrostrukturierung von Metallen unter Einsatz hochrepetierender Ultrakurzpuls-Laserstrahlung vorgestellt. Das Zusammenwirken der wichtigsten Bearbeitungsparameter (Pulsenergie, Pulswiederholrate, geometrischer Pulsabstand) wird an Materialien mit unterschiedlichen thermo-physikalischen Eigenschaften (Edelstahl, Kupfer) diskutiert. Es wird gezeigt, dass der Materialabtrag bei hochrepetierender Laserbestrahlung von gering warmeleitenden Materialien (Edelstahl 1.4301) durch Warmeakkumulationseffekte beeinflusst ist. Unabhangig von der Pulswiederholfrequenz wurde dagegen der Materialabtrag an einem gut warmeleitenden Material (Kupfer) bestimmt.