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Technisches Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifizierung von
dielektrischen Materialeigenschaften, bei dem ein gepulster Bearbeitungsstrahl
aus elektromagnetischer Strahlung oder einem energetischen Teilchenstrom
mit einer Wellenlänge, bei
der das Material transparent oder teiltransparent ist, auf eine
zu modifizierende Zone des Materials gerichtet wird, wobei das Material
hinsichtlich Absorption und/oder Reflexion ein Schwellverhalten
aufweist, so dass das Material den Bearbeitungsstrahl unterhalb
einer Schwellintensität
in deutlich geringerem Maße
absorbiert bzw. in deutlich höherem
Maße reflektiert
als oberhalb der Schwellintensität.
Unter Modifizierung wird hierbei kein Abtragungsprozess sondern
eine Änderung
physikalischer, chemischer, elektrischer, mechanischer und/oder
optischer Eigenschaften des Materials verstanden.
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Nach
Aufstellung der Lichtquanten-Hypothese durch Einstein im Jahre 1905,
wonach das Licht aus einzelnen Energiequanten (Photonen) je nach Frequenz
unterschiedlicher Energie besteht, setzte sich die Vorstellung vom
Dualismus des Lichtes durch. Hiernach breitet sich Licht in Form
einer elektromagnetischen Welle aus, während die Energie bei der Emission
und Absorption in Lichtquanten konzentriert ist. Bei der Wechselwirkung
elektromagnetischer Strahlung mit Materie tritt neben einer Absorption
und der spontanen Emission auch eine sog. stimulierte Emission auf,
die die Grundlage zur Entwicklung der Lasertechnologie bildet.
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Im
Gegensatz zu thermischen Strahlern emittiert ein Laser verstärktes und
entsprechend intensives, gut monochromatisches Licht von hoher örtlicher
und zeitlicher Kohärenz.
Der fast parallele Lichtstrahl hat die Eigenschaft scharfer Bündelbarkeit,
großer
Kohärenzlänge, hoher
Fokussierbarkeit und extremer Leistungsdichte. Um entsprechend hohe
Leistungsdichten erzielen zu können,
wird die gespeicherte Energie des Lasers gepulst entnommen und auf
kleine Brennflecke fokussiert.
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Für Anwendungen
in der Fertigungstechnik kommen vorzugsweise Festkörper- und
Gaslaser zum Einsatz. Als Festkörper
kommen besonders Rubin, Glas und Granat in Frage, während unter
den Gaslasern die CO2-Laser eine herausragende
Stellung einnehmen. Beide Arten von Lasern können kontinuierlich oder gepulst
betrieben werden. In den letzten Jahren finden auch verstärkt sog.
Excimerlaser Eingang in die Fertigung. Excimere sind zweiatomige,
angeregte Moleküle
im Hochdruckgas, die aus einem Edelgas- und einem Halogenatom bestehen. Für die Fertigungstechnik
wird der Laserstrahl in der Regel mit den Wellenlängen angepassten
Linsensystemen fokussiert und über
Strahlablenksysteme oder Faseroptiken auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet.
Der Einsatz von Lasern ist hierbei vor allem zum Schweißen, Ritzen,
Gravieren, Schneiden und auch Bohren bekannt.
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Bei
der abtragenden Bearbeitung von Werkstücken mit Hilfe von Laserstrahlung
wird der Materialabtrag durch eine dampfförmige und eine flüssige Phase
bedingt. Die auf das Werkstück
auftreffende Energiemenge führt
zu einer lokalen Verdampfung. Die Verdampfungszone bildet sich etwa
0,05–0,01 μm unterhalb
der Werkstückoberfläche aus.
Dadurch wird ein Teil des durch Wärmeleitung schnellstflüssig gewordenen Werkstoffes
explosionsartig aus der Bearbeitungszone entfernt.
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So
ist bspw. aus der
DE 31 45 278 ein
Verfahren zum berührungslosen
Abtragen von Material von der Oberfläche eines Gegenstandes aus
sprödem
Material, insbesondere Glas, mittels eines Laserstrahls bekannt.
Bei dem in dieser Druckschrift beschriebenen Verfahren wird der
Laserstrahl durch mindestens eine wenigstens teilweise absorbierende Matrix
geführt
und in eine Vielzahl von Einzelstrahlen aufgeteilt. Das verwendete
optische System zwischen Laser und Werkstück erlaubt die Veränderung von
Größe und Gestalt
einer bspw. auf die Oberfläche
aufzubringenden bleibenden Kennzeichnung, Markierung oder Dekoration.
Hierzu wird zwischen der Laserlichtquelle und dem Werkstück zweckmäßig eine
Maske angeordnet, welche die Form der Markierung auf der Materialoberfläche bestimmt.
Weiterhin ermöglicht
das vorgeschlagene Verfahren das Durchtrennen des zu bearbeitenden
Gegenstandes, falls hinreichend viel Material abgetragen wird. Mit Hilfe
dieses Verfahrens ist die Anbringung bestimmter gewünschter
Makromuster möglich,
ohne dass im Randbereich der Markierung Unschärfen entstehen, wie dies unvermeidlich
z. B. bei Einsatz eines Sandstrahlverfahrens der Fall ist. Die sonstigen
optischen Eigenschaften des Materials bleiben bei Einsatz dieses
Verfahrens unverändert.
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Demgegenüber beschreibt
die
DE 44 09 746 A1 ein
Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften mittels
Laserlegierung. Hierbei werden Metallteile zur Erhöhung ihrer
lokalen Festigkeit und/oder des Verschleißwiderstandes einer speziellen
Laserbehandlung unterzogen. Ein aus einem Zusatzwerkstoff gefertigter
Formkörper
wird in den Grundkörperwerkstoff
eingesetzt. Das Einbringen des aus dem Zusatzwerkstoff gefertigten
Formkörpers
erfolgt durch Einpressen, Einschlagen, Einschießen oder auch ein Einwalzen.
Anschließend wird
der Bereich, in dem sich der Formkörper aus Zusatzwerkstoff befindet,
mit einem leistungsstarken Laser beaufschlagt und dabei der Strahldurchmesser am
Auftreffpunkt des Laserstrahls derart gewählt, dass das Grundkörpermaterial
in der Umgebung des Formkörpers
aufschmilzt und die beiden Stoffe in dem Übergangsbereich vermischt werden.
Mit Hilfe des in dieser Druckschrift beschriebenen Verfahrens ist
es möglich,
ohne den Einsatz von Hilfsstoffen eine verbesserte Haftung von Legierungs- und Grundmetall
auch bei Verwendung von geometrisch komplizierten Bauteilen mit
gekrümmten
oder stark geneigten Oberflächen
zu erzielen.
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Die
DE 34 24 825 C2 offenbart
ein Verfahren zum Bearbeiten von metallischen Werkstücken mittels
Laserstrahl, bei dem durch Modulation der Laserstrahlintensität im Bereich
der Grenzintensität
eine maximale Absorption der Laserstrahlung im Werkstück erzielt
werden kann. Bei dieser abtragenden Metallbearbeitung wird ein laserinduziertes
Plasma auf der Werkstückoberfläche erzeugt,
in das das abzutragende Material überführt wird. Durch geeignete Modulation
der Laserintensität
kann die Entstehung einer laserinduzierten Detonationswelle bei
der Bearbeitung verhindert werden.
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Die
DE 40 07 947 C2 offenbart
ebenfalls ein abtragendes Bearbeitungsverfahren für Metalle,
bei dem die Erzeugung einer Detonationswelle im laserinduzierten
Oberflächenplasma
an der Werkstoffoberfläche
verhindert werden soll. Dies wird durch geeignete Einstellung der
Intensität
einer bei dem Verfahren eingesetzten Zusatzbestrahlung erreicht.
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Die ältere, nachveröffentlichte
DE 101 25 206 A1 offenbart
ein Verfahren zur direkten Mikrostrukturierung von Materialien,
bei dem in kurzem zeitlichem Abstand zwei Laserpulse auf die Oberfläche des
zu bearbeitenden Materials gerichtet werden. Damit kann eine Modifikation
von Materialeigenschaften von transparenten Materialien erreicht
werden, indem das transparente Material mit dem ersten Puls in einen
metallähnlichen
Zustand gebracht und mit dem nachfolgenden zweiten Puls so bearbeitet wird,
dass Risse und Spannungen im Material vermieden werden.
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Aus
der WO 02/16070 A2 ist ein Verfahren zur Erzeugung optischer Strukturen
in dielektrischen Materialien bekannt, bei dem ein gepulster Bearbeitungsstrahl
mit einer Wellenlänge,
bei der das Material transparent oder teiltransparent ist, auf eine
zu modifizierende Zone des Materials gerichtet wird. Die Laserparameter
werden durch Wahl von Femtosekunden-Impulsen derart eingestellt, dass durch
die hohe Intensität
nichtlineare Absorption im dielektrischen Material auftritt.
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D.
Ashkenasu et al., "Materialbearbeitung von
transparenten Dielektrika mit Femtosekunden-Laserimpulsen", in: LaserOpto,
1999, Vol. 31, Nr. 3, S. 91–97,
geben einen Überblick über Möglichkeiten
zur hochpräzisen
Mikrostrukturierung von transparenten Materialien mit ultrakurzen
Laserimpulsen.
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Bei
den oft geringen Energien der Laserstrahlung sind hohe Leistungsdichten
nur bei kleinen Wirkbereichen erzielbar. Besondere Schwierigkeiten ergeben
sich bei der Bearbeitung von Materialien mit geringer linearer Absorption
und hoher Reflexion, da gerade solche Materialien Laser mit hoher
Leistungsdichte erfordern. Diese Laser, die über eine hohe mittlere Leistung
verfügen
sind allerdings in der Anschaffung sehr teuer. Es ist bisher kein
kostengünstiges
Verfahren bekannt, mit dem bei derartigen Materialien lokale Änderungen
der Materialeigenschaften, wie Brechungsindex, Transmission oder
Farbe, mittels Laserstrahlung erzeugt werden können.
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Darstellung der Erfindung
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Ausgehend
von dem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem bei Werkstücken, die aus
Materialien mit geringer optischer Absorption gefertigt sind, dielektrische
Materialeigenschaften wie Brechungsindex, Transmission und Farbe
kostengünstig
kontrolliert geändert
werden können.
Desweiteren soll das Verfahren die Bildung von Streuzentren und
Farbzentren initiieren können.
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Erfindungsgemäß ist ein
Verfahren zur Modifizierung von dielektrischen Materialeigenschaften, bei
dem ein gepulster Bearbeitungsstrahl aus elektromagnetischer Strahlung
oder einem energetischen Teilchenstrom mit einer Wellenlänge, bei
der das Material transparent oder teiltransparent ist, auf eine
zu modifizierende Zone des Materials gerichtet wird, wobei das Material
hinsichtlich Absorption und/oder Reflexion ein Schwellverhalten
aufweist, so dass das Material den Bearbeitungsstrahl unterhalb einer
Schwellintensität
in deutlich geringerem Maße absorbiert
bzw. in deutlich höherem
Maße reflektiert als
oberhalb der Schwellintensität,
das sich dadurch auszeichnet, dass die zu modifizierende Zone jeweils unmittelbar
vor dem Eintreffen von zumindest einem Bearbeitungspuls des Bearbeitungsstrahls
mit wenigstens einem Leistungspuls einer anderen Wellenlänge als
der Bearbeitungspuls beaufschlagt wird, wobei der Leistungspuls
eine Intensität
oberhalb der Schwellintensität
und der Bearbeitungspuls eine Intensität unterhalb der Schwellintensität des Materials aufweist
und die Wellenlänge
des Leistungspulses derart gewählt ist,
dass resonante Absorptionsprozesse im Material initiiert werden.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird ausgenutzt, dass viele Materialien
ein Schwellverhalten bezüglich
des Absorptionsverhaltens aufweisen. Bei diesen Materialien mit
hoher Reflexion und geringer Absorption steigt bei Erreichen einer
speziellen Schwellintensität
die Absorption drastisch an bzw. nimmt die Reflexion stark ab. Das
normale Absorptionsverhalten genügt
der Beziehung: I = I0·E–μL, wobei
I0 die auf das Werkstück fallende Intensität, μ den stoffspezifischen
temperaturabhängigen
Absorptionskoeffizienten und L die Dicke der absorbierenden Schicht
darstellen. Bei Beaufschlagung eines ein Schwellverhalten aufweisenden
Materials mit einem Laserstrahl nimmt ab einer bestimmten Leistungsdichte
des Lasers die Absorption des Materials wesentlich höhere Werte
an, als sie nach der oben angegebenen Gleichung zu erwarten sind.
Als Folge von nichtlinearen Wechselwirkungsprozessen zwischen Laserlicht
und bestrahlter Materialzone kommt es zu einer sog. anormalen Absorption.
Durch Überschreiten
einer Intensitätsschwelle
können
hierbei absorptionsfreie Stoffe auch in absorbierende Stoffe überführt werden.
Die kritische Intensität
liegt in der Regel in der Größenordnung
von 108 W/cm2, ist
aber von der Laserwellenlänge,
der Strahlcharakteristik und vom zu bearbeitenden Werkstoff abhängig. Oberhalb
der kritischen Intensität
absorbieren praktisch alle Werkstoffe sehr gut.
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Zur
Modifizierung von dielektrischen Werkstoffeigenschaften von Materialien,
die hinsichtlich der Absorption ein Schwellverhalten aufweisen,
wird beim vorliegenden Verfahren ein energetischer Strahl mit zumindest
einem Leistungspuls verwendet, dessen Intensität höher als die Schwellintensität des zu
modifizierenden Materials ist. Durch den Einsatz eines solchen Strahles
mit einem Leistungspuls dessen Intensität oberhalb der Schwellintensität liegt, wird
eine hohe und oft auf nichtlinearen Effekten basierende Absorption
innerhalb der Modifikationszone initiiert. Nach dem Auftreffen des
Leistungspulses auf das zu modifizierende Material klingt das Absorptionsverhalten
des Materials innerhalb der Modifikationszone langsam wieder ab.
Um einen kontrollierten Prozessablauf gewährleisten zu können, wird
die Dauer des Leistungspulses geringfügig kürzer als die Zeitkonstante
zur Bildung von Instabilitäten
gewählt. Durch
das Absenken der Absorptionsgrenze mit dem Leistungspuls ist es
nun möglich,
eine Modifizierung der Werkstoffeigenschaften mit Hilfe von Bearbeitungspulsen
zu erzielen, deren Intensität
deutlich unterhalb der Intensität
des Leistungspulses liegt. Die Bearbeitungspulse können dabei
im gleichen Strahl wie der Leistungspuls oder auch mit einem gesonderten
Bearbeitungsstrahl auf das Material aufgebracht werden.
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Dieser
Bearbeitungsstrahl kann aus einer Strahlquelle stammen, die definierte
Pulszüge
erzeugt. Die Spitzenintensität
der Bearbeitungspulse kann dabei unterhalb der Schwellintensität des zu modifizierenden
Materials liegen. Der Leistungspuls ist hat hierbei eine kleinere
oder die gleiche Pulsdauer wie die Bearbeitungspulse.
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Eine
flexible Bearbeitung kann realisiert werden, indem der Leistungspuls
durch eine erste Strahlquelle und der zumindest eine Bearbeitungspuls durch
eine zweite Strahlquelle erzeugt werden. Wichtig für die Durchführung dieses
Verfahrens ist vor allem, dass die Zeitspanne zwischen dem Auftreffen des
Leistungspulses und dem Auftreffen des Bearbeitungspulses kleiner
als die Abklingzeit, innerhalb der das Material wieder das vor Auftreffen
des Leistungspulses herrschende Absorptions- bzw. Reflexionsverhalten
annimmt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass auch mit Hilfe
eines Bearbeitungsstrahles, dessen Intensität unterhalb der Schwellintensität des Materials
liegt, eine Modifizierung der Werkstoffeigenschaften des Materials
vorgenommen werden kann.
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Für die Materialmodifikation
kann sowohl ein energetischer Teilchenstrom, insbesondere ein Elektronenstrahl,
als auch ein Strahl aus elektromagnetischer Strahlung, der insbesondere
durch einen Laser erzeugt wird, verwendet werden. Sowohl bei der
Verwendung eines Teilchenstroms als auch einer elektromagnetischen
Strahlung wird ein effektiver Prozessablauf realisiert, indem der
zeitliche Abstand des Leistungspulses zum Bearbeitungspuls kürzer als
die Abklingzeit der durch den Leistungspuls erzeugten hohen Absorption
gewählt
wird. Weiterhin wird die Intensität des Bearbeitungspulses derart
dimensioniert, dass die erhöhte
Absorption sowie ein effektiver Prozess der Werkstoffmodifizierung über ein
vorgegebenes und definiertes Zeitfenster aufrecht erhalten werden
können.
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Als
Laser können
sowohl Laser mit ns-Pulsdauer als auch cw-Laser verwendet werden.
Weiterhin kommen auf Modenkopplung basierende ps-Laser und auch
gütegeschaltete
ns-Laser zum Einsatz. Aus Kostengründen ist es wiederum sinnvoll,
die Dauer des Bearbeitungspulses gleich oder länger der Pulsdauer des Leistungspulses
zu wählen.
Werden für
die Durchführung
des Verfahrens zwei Laser verwendet, so kann bspw. als erster Laser
für die Erzeugung
des Leistungspulses ein gütegeschalteter
Laser und als zweiter Laser für
die Erzeugung der Bearbeitungspulse ein cw- oder frei laufend gepulster Laser
verwendet werden. Darüber
hinaus ist es aber auch möglich,
den ersten Laser modengekoppelt zu betreiben, während der zweite Laser als
cw-Laser, frei laufend oder gütegeschaltet
betrieben wird. Generell wird eine hohe Wirtschaftlichkeit durch
die Kombination eines ersten Lasers mit hoher Pulsleistung und geringer
mittlerer Leistung mit einem zweiten Laser mit relativ geringer
Pulsleistung und hoher mittlerer Leistung erzielt.
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Durch
die unterschiedlichen Wellenlängen der
Bearbeitungsstrahlen des ersten und des zweiten Lasers können insbesondere
resonante Absorptionsprozesse initiiert werden. Der Leistungsbedarf
bei der Modifizierung von Werkstoffeigenschaften wird dadurch reduziert,
dass der Leistungspuls eine Wellenlänge aufweist, bei der das zu
modifizierende Material eine relativ hohe Absorption hat. Um zum
einen die erforderliche Spitzenleistung des Lasers zu reduzieren,
und zum anderen die laterale Auflösung zu erhöhen, wird die auf das Werkstück gerichtete
Strahlung in der Modifikationszone fokussiert. Werden mehrere Strahlquellen
verwendet, ist es effektiv, die Strahlen so zu konditionieren, dass
sie einen gemeinsamen Fokuspunkt innerhalb der Modifikationszone haben.
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Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
es möglich,
dielektrische Materialien, die für
Strahlung einer speziellen Wellenlänge transparent oder teildurchlässig sind,
zu bearbeiten. Hierzu wird zunächst
ein Leistungspuls hoher Intensität
eingesetzt, der das Absorptionsverhalten des dielektrischen Materials
derart erhöht,
dass es anschließend
mit einem oder mehreren Bearbeitungspulsen niedrigerer Intensität modifiziert
werden kann, für
die es ohne die Vorbehandlung durch den Leistungspuls transparent oder
teildurchlässig
wäre. Für eine derartige
Modifikation kommen insbesondere Gläser, Kunststoffe, Kristalle
und auch Keramiken in Frage.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird eine lokale Veränderung
der Materialeigenschaften in einer Oberflächenschicht oder in einem oberflächennahen
Volumen erreicht. So können
bspw. die optischen Eigenschaften eines Materials dahingehend modifiziert
werden, dass der Brechungsindex oder die Farbe des Materials geändert wird.
Darüber hinaus
ist es aber auch möglich
durch die Veränderung
optischer Eigenschaften ein-, zwei- oder auch dreidimensionale Strukturen
zur Bildung photonischer Kristalle oder für den Einsatz als Strahlführungselemente
zu erzeugen.
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Kurze Beschreibung der
Erfindung
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen sowie den
entsprechenden Figuren näher
erläutert,
ohne dass hierdurch der allgemeine Erfindungsgedanke eingeschränkt werden soll.
Hierbei zeigen:
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1 die
Abhängigkeit
der Reflexion von der Strahlintensität;
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2 die
Abhängigkeit
der Absorption von der Strahlintensität;
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3 das
Abklingverhalten der Absorption eines Materials mit Schwellintensität;
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4 den
zeitlichen Verlauf der Absorption, die durch einen ersten Puls initiiert
und durch einen zweiten Puls fortgesetzt wird;
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5 den
Zeitverlauf verschiedener Bearbeitungspulse, die auf einen Leistungspuls
folgen;
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6 einen
Ausschnitt eines Modifikationsprozesses, bei dem der Leistungspuls
sowie der Bearbeitungspuls wiederholt werden;
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7 den
zeitlichen Temperaturverlauf in einem Modifikationsvolumen bei Einsatz
eines Leistungs- und eines Bearbeitungspulses;
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8 den
zeitlichen Temperaturverlauf bei aufeinander folgendem Leistungs-
und Bearbeitungspuls;
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9 den
zeitlichen Verlauf der Temperatur mit einem Leistungspulszug und
einem Bearbeitungspulszug, wobei Pulshöhe und Pulsdauer derart eingestellt
werden, dass die Temperatur im Modifikationsvolumen konstant ist;
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10 einen
schematischen Aufbau einer Anlage zur Modifikation der Materialeigenschaften mit
zwei Strahlquellen;
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11 eine
Anordnung zur Zusammenführung
der Strahlen beider Strahlquellen mittels eines dichroitischen Strahlteilers;
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12 eine
Anordnung zur räumlichen
Zusammenführung
der Strahlen zweier Strahlquellen; und
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13 eine
Anordnung zum zeitlichen Multiplexing der Strahlen zweier Strahlquellen.
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In 1 wird
die Abhängigkeit
der Reflexion von der Strahlintensität dargestellt. Die Reflexion weist hierbei
eine Schwellintensität
auf, unterhalb der die Reflexion nahe 1 und oberhalb der die Reflexion drastisch
verringert ist. Dies bedeutet, dass das Material bei einer Bestrahlung,
die eine Intensität
unterhalb der Schwellintensität
aufweist, nahezu die gesamte Strahlung reflektiert. Trifft dagegen
Strahlung mit einer Intensität
oberhalb der Schwellintensität
auf dieses Material auf, so wird sie nahezu vollständig absorbiert.
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2 verdeutlicht
diesen Zusammenhang, indem hier anstelle der Reflexion die Absorption über die
Intensität
der auf das Material auftreffenden Strahlung dargestellt ist.
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In 3 wird
das zeitlich veränderliche
Absorptionsverhalten eines Materials dargestellt, das zunächst kurzzeitig
mit einem Leistungspuls 1 beaufschlagt wird. Der Absorptionskoeffizient
des Materials ist deutlich erhöht,
während
er sich in der Abklingzeit τ asymptotisch
dem Ausgangswert wieder nähert.
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4 zeigt
ebenfalls das Abklingverhalten der Absorption eines Materials. Allerdings
wird in diesem Fall die Oberfläche
des zu modifizierenden Materials in kurzem zeitlichen Abstand mit
einem weiteren Leistungspuls 1 beaufschlagt. Die maximal
erzielbare Absorption ist durch diese Maßnahme weiter zu steigern.
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In 5 ist
der Absorptionskoeffizient 2 eines Materials zu sehen,
das zunächst
mit einem Leistungspuls 1 beaufschlagt wird. In der Zeit,
in der sich das Absorptionsverhalten des Materials asymptotisch
dem Ausgangswert nähert,
erfolgt die Modifizierung des Werkstoffes mit Hilfe eines Bearbeitungspulses 8 geringer
Intensität.
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6 zeigt
eine Aneinanderreihung einer Vielzahl der in 5 dargestellten
einzelnen Modifikationsvorgänge,
wie sie bei der erfindungsgemäßen Modifikation
durchgeführt
werden können.
Hierbei wird die Absorption des Materials nach der Relaxation jeweils
erneut durch Einstrahlen eines Leistungspulses 1 erhöht.
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In 7 ist
der Temperaturverlauf 3 innerhalb der Modifikationszone
dargestellt. Die Modifikationszone wird in diesem Fall mit einem
Leistungspuls 1 und anschließend mit einem länger andauernden
Bearbeitungspuls 8 beaufschlagt. Nach Auftreffen des Leistungspulses 1 steigt
die Temperatur innerhalb der Modifikationszone sprunghaft an und
erreicht nach Abschluss der Modifikation mittels des Bearbeitungspulses 8 einen
Maximalwert. Nach Abschluss der Modifikation sinkt die Temperatur
asymptotisch erneut auf den Ausgangswert. Ausgehend von diesem einzelnen
Modifikationsvorgang wird in 8 die Temperatur 3 innerhalb
der Modifikationszone dargestellt, wie sie sich bei Vornahme mehrerer der
in 7 dargestellten Modifikationsvorgänge verhält. Deutlich
ist hierbei zu erkennen, dass die Temperatur innerhalb der Modifikationszone
immer stärker
ansteigt. Durch die geeignete Kombination von Leistungs- und Bearbeitungspulsen
kann diese Temperatur allerdings annähernd konstant gehalten werden,
wie dies in 9 dargestellt ist. Werden die Bearbeitungspulse 8 mit
geringerer Intensität
gewählt,
sinkt die Temperatur in der Modifikationszone nach Abschluss des
Modifikationsvorganges immer wieder auf den Wert, den sie auch nach
Abschluss des vorangegangenen Modifikationsvorganges hatte.
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10 zeigt
einen schematischen Aufbau einer Anlage, mit der das erfindungsgemäße Verfahren
zur Modifizierung von Werkstoffeigenschaften durchgeführt werden
kann. In diesem Beispiel werden zwei separate Laser zur Erzeugung
jeweils der Leistungs- und der Bearbeitungspulse verwendet. Der
erste Laser 11 erzeugt hierbei die Leistungspulse, während der
zweite Laser 12 die Bearbeitungspulse erzeugt. Beide Strahlen
werden durch den Strahlkombinator 14 koaxial überlagert
und mit Hilfe der Strahlformung 15 derart fokussiert, dass
sowohl die Leistungspulse als auch die Bearbeitungspulse in der
Modifikationszone des Werkstücks 16 ihren
Fokus haben.
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In 11 ist
eine Anordnung zur koaxialen Überlagerung
des vom ersten Laser ausgehenden Strahles 38 sowie des
vom zweiten Laser ausgehenden Strahles 31 dargestellt.
Mit Hilfe eines Umlenkspiegels 34 sowie eines dichroitischen
Umlenkspiegels 36 wird der Strahl der Leistungspulse in
den Strahlengang der Bearbeitungspulse eingekoppelt. Der kombinierte
Strahl 37 gelangt anschließend zu einer Strahlumformung
und wird dann auf die Modifikationszone des Werkstücks fokussiert.
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Die
gleiche Anordnung kann auch über
einen Polarisationsstrahlteiler realisiert werden. Bei dieser Ausgestaltung
wird der die Bearbeitungspulse aufweisende Bearbeitungsstrahl beispielsweise
p-polarisiert und der die Leistungsspulse aufweisende Laserstrahl
s-polarisiert. Mit Hilfe des Umlenkspiegels wird der Strahl mit
den Leistungspulsen auf den Polarisationsstrahlteiler umgelenkt,
der sich im Strahlengang des Bearbeitungsstrahles mit den Bearbeitungspulsen
befindet. Der so kombinierte Strahl wird auf die zu modifizierende
Bearbeitungszone gerichtet.
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In 12 ist
eine Anordnung zur Zusammenführung
zweier Laserstrahlen dargestellt, die allerdings keinen gemeinsamen
Fokus innerhalb der Modifikationszone haben. Während der Strahl mit den Bearbeitungspulsen 51 direkt
auf die Modifikationszone gerichtet wird, wird der hier s-polarisierte Strahl
mit den Leistungspulsen 58 mittels eines Umlenkspiegels 54 und
eines Kantenspiegels 59 auf eine Stelle direkt neben dem
Auftreffpunkt des Bearbeitungsstrahls mit den Bearbeitungspulsen 51 gerichtet.
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In 13 ist
eine Anordnung zur Zusammenführung
zweier Bearbeitungsstrahlen dargestellt, in der ein rotierender
Spiegel 79 vorgesehen ist. Der Strahl mit den Leistungspulsen 78 wird über einen Umlenkspiegel 74 auf
den rotierenden Spiegel 79 gelenkt. Der rotierende Spiegel 79 besitzt
eine Durchlassöffnung 72 für den Bearbeitungsstrahl 71.
In Abhängigkeit
von der Drehfrequenz wird somit abwechselnd in definierten Zeitabständen der
Strahl 78 mit den Leistungspulsen und der Strahl 71 mit
den Bearbeitungspulsen durchgelassen und so ein kombinierter Strahl 77 auf
die Modifikationszone gerichtet.