DE102017009001A1

DE102017009001A1 - Verwendung eines Hochleistungs-Ultrakurzpulslasers zum Materialabtrag, Verfahren zum Materialabtrag und Einrichtung zum Materialabtrag eines Festkörpers und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht

Info

Publication number: DE102017009001A1
Application number: DE102017009001.7A
Authority: DE
Inventors: Jörg Schille; Stefan Mauersberger; Udo Löschner
Original assignee: Hochschule Mittweida FH
Current assignee: Hochschule Mittweida FH
Priority date: 2017-09-23
Filing date: 2017-09-23
Publication date: 2019-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft Verwendungen eines Hochleistungs-Ultrakurzpulslasers zum Materialabtrag, Verfahren zum Materialabtrag eines Festkörpers (2) und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht mit wenigstens einem Laser und einer schnellen Strahlablenkvorrichtung und Einrichtungen zum Materialabtrag eines Festkörpers und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht mit wenigstens einem Laser und einer schnellen Strahlablenkvorrichtung.
Diese zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass Festkörper und/oder die wenigstens eine darauf befindliche Schicht mit hoher Rate im Mikrometerbereich und/oder Nanometerbereich abgetragen werden.
Dazu wird ein Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit einer Pulswiederholfrequenz größer 400 MHz und einer Leistung größer 100 W zum Materialabtrag von Festkörpern und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht durch Schmelzen, Verdampfen und/oder Ablatieren mit wirkender Ablationskühlung verwendet, wobei die Laserstrahlung des jeweiligen Pulses auf die Körperoberfläche gelangt und während der Pulsdauer das entstehende Prozessplasma durchdringt ohne auf die ablatierte Partikelwolke zu treffen.

Description

Die Erfindung betrifft Verwendungen eines Hochleistungs-Ultrakurzpulslasers zum Materialabtrag, Verfahren zum Materialabtrag eines Festkörpers und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht mit wenigstens einem Laser und einer schnellen Strahlablenkvorrichtung und Einrichtungen zum Materialabtrag eines Festkörpers und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht mit wenigstens einem Laser und einer schnellen Strahlablenkvorrichtung.
Eine Ablation mittels Laserstrahlung ist bekannt. Dabei muss abgewogen werden, ob die Laserbearbeitung sanft und damit nahezu ohne thermische Belastung und ohne Abschirmeffekte oder mit höherer beaufschlagter optischer Energie für einen höheren Materialvolumenabtrag ablaufen soll.
Um die thermische Belastung sowie die genannten Abschirmungseffekte während der Laserbearbeitung zu minimieren, wird ultrakurzgepulste Laserstrahlung mit kleiner mittlerer Leistung kleiner 10 W und geringer Pulswiederholfrequenz gleich/kleiner 1 MHz verwendet.
Zum Erzielen hoher Prozessraten wird bekannterweise kontinuierliche Laserstrahlung oder kurzgepulste Laserstrahlung im Nanosekundenbereich eingesetzt, in Ausnahmefällen kommen hochrepetierende ultrakurzgepulste Laserquellen mit einer Pulswiederholfrequenz gleich/kleiner 20 MHz mit hoher mittlerer Leistung kleiner 250 W zum Einsatz.
In beiden Fällen erfolgt die Energieverteilung in der Regel durch die Strahlablenkung mittels Galvanometerscansystemen mit einer Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahlung und dem zu bearbeitenden Bauteil unter 50 m/s.
Dabei steht einer Erhöhung der Prozessrate stets ein Absinken der Bearbeitungsqualität infolge steigender thermischer Belastung und einer eventuellen Schmelzausbildung und umgekehrt entgegen. Dies führt dazu, dass Laserapplikationen und damit verbundene Funktionalitäten auf relativ kleine Oberflächen begrenzt sind. Eine Skalierung der Verfahren auf große industrierelevante Flächen im Quadratmeterbereich ist zwar möglich, allerdings ist der Einsatz aufgrund der langen Prozesszeiten wirtschaftlich meist nicht sinnvoll. Eine Steigerung der Prozessrate durch Erhöhung der mittleren Laserleistung führt zwar zur Verkürzung der Fertigungszeiten, allerdings sinkt die Bearbeitungsqualität in der Regel erheblich ab. Die Folgen der übermäßigen thermischen Belastung bei den hohen Prozessraten sind, dass die angestrebten Funktionalitäten nicht mehr erreicht werden, sich die prozessierten Bauteile dauerhaft verformen, vor allem bei Metallen, oder brechen, besonders bei sprödharten Materialien, wie Glas oder Keramik.
Der in den Patentansprüchen 1, 7 und 9 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Festkörper und/oder wenigstens eine darauf befindlichen Schicht mit hoher Rate im Mikrometerbereich und/oder Nanometerbereich abzutragen.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1, 7 und 9 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Verwendungen eines Hochleistungs-Ultrakurzpulslasers zum Materialabtrag, die Verfahren zum Materialabtrag eines Festkörpers und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht mit wenigstens einem Laser und einer schnellen Strahlablenkvorrichtung und die Einrichtungen zum Materialabtrag eines Festkörpers und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht mit wenigstens einem Laser und einer schnellen Strahlablenkvorrichtung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass Festkörper und/oder wenigstens eine darauf befindliche Schicht mit hoher Rate im Mikrometerbereich und/oder Nanometerbereich abgetragen werden.
Dazu wird ein Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit einer Pulswiederholfrequenz größer 400 MHz und einer Leistung größer 100 W zum Materialabtrag von Festkörpern und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht durch Schmelzen, Verdampfen und/oder Ablatieren mit wirkender Ablationskühlung verwendet, wobei die Laserstrahlung des jeweiligen Pulses auf die Körperoberfläche gelangt und während der Pulsdauer das entstehende Prozessplasma durchdringt ohne auf die ablatierte Partikelwolke zu treffen.
Zum Materialabtrag eines Festkörpers und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht mit wenigstens einem Laser und einer schnellen Strahlablenkvorrichtung wird die Oberfläche des Festkörpers und/oder die wenigstens eine darauf befindliche Schicht mit mittels der schnellen Strahlablenkvorrichtung geführter Laserstrahlung eines Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit einer Pulswiederholfrequenz größer 400 MHz und einer Leistung größer 100 W als Laser zum Schmelzen, Verdampfen und/oder Ablatieren mit wirkender Ablationskühlung so beaufschlagt, dass die Laserstrahlung des jeweiligen Pulses auf die Körperoberfläche gelangt und während der Pulsdauer das entstehende Prozessplasma durchdringt ohne auf die ablatierte Partikelwolke zu treffen.
Die Einrichtung zum Materialabtrag eines Festkörpers und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht weist dazu wenigstens einen Laser und eine schnelle Strahlablenkvorrichtung auf. Der Laser zum Schmelzen, Verdampfen und/oder Ablatieren ist ein Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit einer Pulswiederholfrequenz größer 400 MHz und einer Leistung größer 100 W. Im Strahlengang des Lasers ist eine schnelle Strahlablenkvorrichtung so angeordnet, dass die Laserstrahlung des jeweiligen Pulses auf die Körperoberfläche gelangt und während der Pulsdauer das entstehende Prozessplasma durchdringt, ohne auf die ablatierte Partikelwolke zu treffen.
Die Verwendung, das Verfahren und die Einrichtung zeichnen sich insbesondere durch die Anwendung der Ablationskühlung aus, wodurch die thermische Belastung des verbliebenen Festkörpers und/oder der wenigstens einen darauf befindlichen Schicht trotz der Verwendung hoher mittlerer Laserleistungen größer 100 W minimiert werden kann. Weiterhin werden auch auftretende Abschirmungseffekte durch eine beim Abtragen durch vorangegangene Laserpulse entstehende Plasma- und Partikelwolke während der Hochrate-Laserbestrahlung minimiert oder vollständig vermieden. Eine ansonsten auftretende Reduzierung der Prozessrate oder deren Begrenzung wird vermieden. Weiterhin wird eine daraus resultierende Verschlechterung der Qualität des Bearbeitungsergebnisses, beispielsweise in Form von thermisch induziertem Bauteilverzug oder ungewollter Schmelzausbildung, vermieden. Die Reduzierung der rückständig im Bauteil deponierten Wärme infolge Ablationskühlung steigert zudem die Abtrageffizienz signifikant.
Damit eignen sich die Verwendungen, Verfahren und Einrichtungen vorteilhafterweise zur Hochrate-Lasermikrobearbeitung oder zur Hochrate-Lasernanobearbeitung von temperaturempfindlichen Festkörpern und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht, insbesondere aber auch um das hocheffiziente thermisch unbelastete Abtragen oder Modifizieren von Oberflächen von Festkörpern und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht. Das Ausnutzen der Ablationskühlung trägt zudem zur Steigerung der Bearbeitungseffizienz bei. Damit gelingt es, große mittlere Laserleistungen auch für die Bearbeitung temperaturempfindlicher Materialien prozesseffizient nutzen zu können, ohne die Qualität des Bearbeitungsergebnisses zu verlieren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6, 8 und 10 angegeben.
Zum Materialabtrag werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ein Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit einer Pulswiederholfrequenz gleich/größer 400 MHz bis kleiner/gleich 50 GHz mit einer Pulsdauer gleich/größer 100 fs bis kleiner/gleich 20 ps und eine schnelle Strahlablenkvorrichtung zum Führen der Laserstrahlung über die Körperoberfläche verwendet.
Zum Materialabtrag werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 der Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser und und die schnelle Strahlablenkvorrichtung zum Materialabtrag so verwendet, dass die Ablenkgeschwindigkeit der Laserstrahlung gleich/größer 100 m/s und kleiner/gleich 3000 m/s ist.
Zum Führen der Laserstrahlung über die Körperoberfläche wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 wenigstens ein Scanner mit wenigstens einem rotierenden Polygonspiegel als Polygonspiegelscanner verwendet.
Der Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 zum Materialabtrag so verwendet, dass durch eine schnelle Strahlablenkung nachfolgend einfallende Pulse der Laserstrahlung und/oder Bursts nicht mit der durch vorherige Laserstrahlung initiierten Partikelwolke wechselwirken.
Der Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 zum Materialabtrag eines wärmeempfindlichen Festkörpers und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht als Festkörper und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht verwendet. Das können beispielsweise Festkörper und/oder wenigstens eine darauf befindliche Schicht aus einem Metall, einem Nichtmetall, einem Kunststoff, einem organischen Material oder einer Kombination davon sein.
Zur schnellen Strahlablenkung wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 wenigstens ein Scanner mit wenigstens einem rotierenden Polygonspiegel als Polygonspiegelscanner verwendet.
Die schnelle Strahlablenkvorrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 wenigstens ein Scanner mit wenigstens einem rotierenden Polygonspiegel als Polygonspiegelscanner verwendet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1 eine bekannte Bestrahlung einer Körperoberfläche mit Laserstrahlung zur Ablation und
2 eine Bestrahlung mit einem Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit hoher Pulswiederholfrequenz.

Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel werden Verwendungen eines Hochleistungs-Ultrakurzpulslasers zum Materialabtrag, Verfahren zum Materialabtrag eines Festkörpers 2 mit wenigstens einem Laser und einer schnellen Strahlablenkvorrichtung und Einrichtungen zum Materialabtrag eines Festkörpers 2 mit wenigstens einem Laser und einer schnellen Strahlablenkvorrichtung zusammen näher erläutert.
Eine Einrichtung zum Materialabtrag eines Festkörpers 2 mit wenigstens einem Laser und einer schnellen Strahlablenkvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser und wenigstens einem Scanner mit wenigstens einem rotierenden Polygonspiegel als Polygonspiegelscanner zum Führen der Laserstrahlung über die Körperoberfläche.
Die 1 zeigt eine bekannte Bestrahlung einer Körperoberfläche mit Laserstrahlung zur Ablation in einer prinzipiellen Darstellung.
In der 1 sind von oben nach unten bekannte einzelne Phasen in einer zeitlich nacheinander folgenden Abfolge der Bestrahlung mit einem Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser beispielsweise bei 1 MHz Pulswiederholfrequenz prinzipiell dargestellt, wobei in x-Richtung als Bearbeitungsweg das Folgende abläuft:

- der Puls 1 trifft auf die Oberfläche des Festkörpers 2 auf,
- im Festkörper 2 erfolgt ein Wärmeeintrag unter Ausbildung einer Wärmezone 3 und es entsteht ein Vorplasma 4,
- die Wärme breitet sich im Festkörper 2 aus, es bildet sich ein Prozessplasma 5 aus und gleichzeitig beginnt eine Ablation des Festkörpers 2 unter Bildung einer Ablationswolke 6,
- die Wärmefront schreitet im Festkörper 2 fort, die Ablationswolke 6 vergrößert sich und das Prozessplasma 5 verdichtet sich zu einem absorbierenden Prozessplasma 7,
- die Wärmefront schreitet im Festkörper 2 weiter fort, die Ablationswolke 6 und das absorbierendes Prozessplasma 7 vergrößern sich,
- die Wärmefront schreitet im Festkörper 2 weiter fort und es beginnen sich Partikel und Cluster in Form einer Partikelwolke 15 vom Material abzulösen und
- der nächste Puls 8 muss, um auf die Oberfläche des Festkörpers 2 zu gelangen, die Partikelwolke 15 durchdringen und wird dabei abgeschirmt, wobei die Wärmefront im Festkörper 2 weiter fortschreitet und die Partikelwolke 15 sich weiter vergrößert.

Die in den Spiegelstrichen nacheinander aufgeführten Vorgänge wiederholen sich jeweils mit den nächsten Pulsen fortlaufend, so dass sich eine große Wärmefront und damit Wärmezone 3 im Festkörper 2 ausbildet.
In der 1 ist die Wärmezone 3 nur einmal mit einem Bezugszeichen versehen. Das Fortschreiten ist durch die Vergrößerung der nachfolgenden Zonen im Festkörper 2 gezeigt und leicht nachzuvollziehen.
Die 2 zeigt eine Bestrahlung mit einem Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit hoher Wiederholfrequenz in einer prinzipiellen Darstellung.
In der 2 sind von oben nach unten einzelne Phasen in einer zeitlich nacheinander folgenden Abfolge der Bestrahlung mit einem Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser beispielsweise bei 1 GHz Pulswiederholfrequenz und 50 MHz Burstwiederholfrequenz mit 5 Pulsen im Burst prinzipiell dargestellt, wobei in x-Richtung als Bearbeitungsweg das Folgende abläuft:

- der erste Puls 9 im Burst trifft auf die Oberfläche des Festkörpers 2,
- im Festkörper 2 erfolgt ein geringer Wärmeeintrag und es entsteht ein Vorplasma 4,
- der zweite Puls 10 im Burst durchdringt das transparente Prozessplasma 5 und es beginnt eine Ablation des Festkörpers 2 unter Bildung einer wenig dichten Ablationswolke 6,
- der dritte nicht dargestellte Puls, der vierte nicht dargestellte Puls und der fünfte Puls 11 im Burst treffen nacheinander auf die Oberfläche des Festkörpers 2, wobei die Ablation weiter voranschreitet und die Pulse drei, vier und fünf des Bursts das transparente Prozessplasma 5 und auch die noch wenig dichte Ablationswolke 6 durchdringen,
- der erste Puls 12 im zweiten Burst durchdringt das transparente Prozessplasma 5 und durchdringt die aus der Bestrahlung der Pulse des ersten Bursts hervorgerufene wenig dichte Ablationswolke 6,
- der erste Puls 13 dem dritten und dem vierten Burst folgenden fünften Bursts durchdringt das transparente Prozessplasma 5, ohne durch die von vorhergehenden Bursts ausgelösten Partikelwolken 15 abgeschirmt zu werden, und
- der erste Puls 14 dem neunzehnten Burst folgenden zwanzigsten Bursts durchdringt das transparente Prozessplasma 5, ohne durch die von vorhergehenden Bursts ausgelösten Partikelwolken 15 abgeschirmt zu werden.

Die sich im Festkörper 2 ausbildende Wärmefront und damit Wärmezone 3 ist dabei durch das Wirken der Ablationskühlung minimal.
Die prinzipiellen Darstellungen der 1 und 2 zeigen den Bearbeitungsweg bei annähernd gleichen Zeiten. Deutlich wird die Vergrößerung des Bearbeitungsweges bei wesentlich verkleinerter Wärmezone 3 im Festkörper 2 bei Verwendung eines Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit einer Pulswiederholfrequenz größer 400 MHz und einer Leistung größer 100 W mit wirkender Ablationskühlung (Darstellung in der 2).

Claims

Verwendung eines Hochleistungs-Ultrakurzpulslasers zum Materialabtrag, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit einer Pulswiederholfrequenz größer 400 MHz und einer Leistung größer 100 W zum Materialabtrag von Festkörpern (2) und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht durch Schmelzen, Verdampfen und/oder Ablatieren mit wirkender Ablationskühlung verwendet wird, wobei die Laserstrahlung des jeweiligen Pulses auf die Körperoberfläche gelangt und während der Pulsdauer das entstehende Prozessplasma durchdringt, ohne auf die ablatierte Partikelwolke (15) zu treffen.
Verwendung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit einer Pulswiederholfrequenz gleich/größer 400 MHz bis kleiner/gleich 50 GHz mit einer Pulsdauer gleich/größer 100 fs bis kleiner/gleich 20 ps und eine schnelle Strahlablenkvorrichtung zum Materialabtrag verwendet werden.
Verwendung nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Materialabtrag der Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser und und die schnelle Strahlablenkvorrichtung zum Materialabtrag so verwendet werden, dass die Ablenkgeschwindigkeit der Laserstrahlung gleich/größer 100 m/s und kleiner/gleich 3000 m/s ist.
Verwendung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Führen der Laserstrahlung über die Körperoberfläche wenigstens ein Scanner mit wenigstens einem rotierenden Polygonspiegel als Polygonspiegelscanner verwendet wird.
Verwendung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser zum Materialabtrag so verwendet wird, dass durch eine schnelle Strahlablenkung nachfolgend einfallende Pulse der Laserstrahlung und/oder Bursts nicht mit der durch vorherige Laserstrahlung initiierten Partikelwolke (15) wechselwirken.
Verwendung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser zum Materialabtrag eines wärmeempfindlichen Festkörpers (2) und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht als Festkörper (2) und/oder wenigstens eine darauf befindlichen Schicht verwendet wird.
Verfahren zum Materialabtrag eines Festkörpers (2) und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht mit wenigstens einem Laser und einer schnellen Strahlablenkvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Festkörpers (2) und/oder die wenigstens eine darauf befindliche Schicht mit mittels der schnellen Strahlablenkvorrichtung geführter Laserstrahlung eines Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit einer Pulswiederholfrequenz größer 400 MHz und einer Leistung größer 100 W als Laser zum Schmelzen, Verdampfen und/oder Ablatieren mit wirkender Ablationskühlung so beaufschlagt wird, dass die Laserstrahlung des jeweiligen Pulses auf die Körperoberfläche gelangt und während der Pulsdauer das entstehende Prozessplasma (5) durchdringt, ohne auf die ablatierte Partikelwolke (15) zu treffen.
Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur schnellen Strahlablenkung wenigstens ein Scanner mit wenigstens einem rotierenden Polygonspiegel als Polygonspiegelscanner verwendet wird.
Einrichtung zum Materialabtrag eines Festkörpers (2) und/oder wenigstens einer darauf befindlichen Schicht mit wenigstens einem Laser und einer schnellen Strahlablenkvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser zum Schmelzen, Verdampfen und/oder Ablatieren ein Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit einer Pulswiederholfrequenz größer 400 MHz und einer Leistung größer 100 W ist und dass im Strahlengang des Lasers eine schnelle Strahlablenkvorrichtung so angeordnet ist, dass bei wirkender Ablationskühlung die Laserstrahlung des jeweiligen Pulses auf die Körperoberfläche gelangt und während der Pulsdauer das entstehende Prozessplasma (5) durchdringt, ohne auf die ablatierte Partikelwolke (15) zu treffen.
Einrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die schnelle Strahlablenkvorrichtung wenigstens ein Scanner mit wenigstens einem rotierenden Polygonspiegel als Polygonspiegelscanner ist.