Grundlagen der UltrakurzpulsLaser ... - TRUMPF Laser
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GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASER-<br />
BEARBEITUNG<br />
Jürgen Koch<br />
<strong>Laser</strong> Zentrum Hannover, Germany
INHALT<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Ultrakurzpulslaser in <strong>der</strong> Mikromaterialbearbeitung<br />
Vorteile <strong>der</strong> Ultrakurzpulslasermaterialbearbeitung<br />
Bearbeitbare Materialien<br />
Wechselwirkung ultrakurzer <strong>Laser</strong>pulse mit Materie<br />
Werkzeug- und Abtragsgeometrie<br />
Abtragsschwelle und laterale Strukturgrößen<br />
Abtragsprofil und Abtragsrate<br />
„Gute“ Bearbeitungsergebnisse, stabile Prozesse<br />
Ripple- und Spike-Entstehung: Vermeidung und Nutzung<br />
2<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
MIKROBEARBEITUNG MIT LASERSTRAHLUNG<br />
Wärmebasierte <strong>Laser</strong>mikromaterialbearbeitungsprozesse<br />
Mikroschweißen<br />
Mikrolöten<br />
Mikrohärten<br />
langsame Energiezufuhr, kontrolliertes <strong>Laser</strong>heizen<br />
lang gepulste <strong>Laser</strong><br />
Abtragende <strong>Laser</strong>mikromaterialbearbeitungsprozesse<br />
Mikroschneiden<br />
Mikrobohren<br />
Mikrogravieren<br />
schnelle Energiezufuhr, keine Grat- und Schmelzbildung<br />
ultrakurz gepulste <strong>Laser</strong><br />
3<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
BEARBEITUNGSERGEBNISSE IM VERGLEICH<br />
fs-Ablation<br />
ns-Ablation<br />
Pulslänge:<br />
t = 200 fs<br />
Pulslänge:<br />
t = 10 ns<br />
Pulsenergie:<br />
E = 225 nJ<br />
Pulsenergie:<br />
E = 270 nJ<br />
4<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
BEARBEITUNG WÄRMESENSITIVER MATERIALIEN<br />
Streichholzkopf<br />
Puzzle-Teil<br />
<br />
Materialbearbeitung fast ohne thermische Schädigung<br />
5<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
BEARBEITBARKEIT VERSCHIEDENSTER MATERIALIEN<br />
Glas<br />
Wolfram<br />
Tantal<br />
Kunststoff<br />
Kupfer<br />
amorphes Metall<br />
6<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
WECHSELWIRKUNG ULTRAKURZER LASERPULSE MIT<br />
MATERIE<br />
1 2<br />
3<br />
Absorption<br />
Deponierung <strong>der</strong><br />
absorbierten Energie im<br />
Elektronensystem<br />
Energieübertrag auf das<br />
Festkörpergitter,<br />
Aufbrechen von Atomund<br />
Molekülbindungen<br />
1a<br />
Metalle<br />
1b<br />
Dielektrika<br />
h<br />
h e - e -<br />
h<br />
T e > T e ><br />
+<br />
Ion<br />
e -<br />
7<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
Elektronenthermalisierung<br />
Elektronenabkühlung<br />
Ionen-Elektronen-<br />
Temperaturgleichgewicht<br />
thermische Diffusion<br />
Schmelzen<br />
Ablation<br />
WECHSELWIRKUNG ULTRAKURZER LASERPULSE MIT<br />
MATERIE<br />
10 -13 10 -12 10 -11 10 -10<br />
Zeit (s)<br />
8<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
WERKZEUGGEOMETRIE DES LASERS?<br />
Spanende Bearbeitung<br />
<strong>Laser</strong>bearbeitung<br />
FWHM<br />
@1/e<br />
@1/e²<br />
www.efunda.com<br />
<br />
Abtragsgeometrie definiert durch<br />
Werkzeuggeometrie und Zustellung<br />
<br />
<br />
Werkzeuggeometrie willkürlich<br />
Abtragsgeometrie nicht allein aus<br />
Werkzeugparametern bestimmbar<br />
9<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
LATERALE STRUKTURGRÖßEN<br />
<strong>Laser</strong>bearbeitetes Biopolymer Chitosan<br />
Einzellaserpuls, gaußsche Intensitätsverteilung,<br />
10µJ, 800nm, 30fs<br />
<br />
lateral scharf nach außen<br />
abgegrenzte Materialmodifikation<br />
10<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
LATERALE STRUKTURGRÖßEN<br />
Ablationsschwelle<br />
F<br />
2<br />
d<br />
F0<br />
exp( ) <br />
2<br />
d<br />
0<br />
Strukturgröße:<br />
F th<br />
d<br />
<br />
d<br />
0<br />
ln<br />
F<br />
F th<br />
<br />
<br />
Prinzipiell beliebig kleine Strukturgrößen möglich<br />
Praktisch beschränkt durch Intensitäts- und Strahllageschwankungen<br />
11<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
LATERALE STRUKTURGRÖßEN IN TRANSPARENTEN<br />
MATERIALIEN<br />
effektives<br />
Strahlprofil<br />
q = 1<br />
q = 2<br />
q = 4<br />
q = 9<br />
Ablationsschwelle<br />
d<br />
<br />
Strukturgröße (F/F th = const.):<br />
k<br />
NA q<br />
d k<br />
<br />
0 , d0<br />
, k 0,5 1<br />
q NA<br />
<br />
Kleinste Strukturen in Materialien mit größter Bandlücke<br />
12<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
ABTRAGSTIEFE UND ABTRAGSPROFIL<br />
<strong>Laser</strong>bohren in Glas, 800nm, 30fs, 1kHz<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Abtragsprofil erst parabel-, später v-förmig<br />
Abtragstiefe nimmt nicht linear mit <strong>der</strong><br />
<strong>Laser</strong>pulsanzahl zu<br />
oberflächliche Abtragsbreite bleibt nahezu<br />
unverän<strong>der</strong>t<br />
Abtragsrate ist keine Konstante<br />
13<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
ABTRAGSTIEFE UND ABTRAGSPROFIL<br />
a i0 = 1-R(α,p)<br />
e i0 , p i0<br />
e ij : Teilstrahlenergie<br />
e i1 , p i1<br />
p ij : Teilstrahlpolarisation<br />
e i2 , p i2<br />
a i1 = 1-R(α,p)<br />
Fokusdurchmesser<br />
a ij : absorbierte Energie bei <strong>der</strong> j-ten Reflexion<br />
Fokuslage<br />
R: Reflexionskoeffizient (winkel-, polarisations- und<br />
materialabhängig)<br />
z<br />
z = 0<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Abtragstiefe in Abhängigkeit <strong>der</strong> Fluenz:<br />
d<br />
z<br />
( x,<br />
y)<br />
d<br />
z,<br />
0<br />
Fluenz im Gaußprofil:<br />
F(<br />
x,<br />
y)<br />
d<br />
z<br />
F(<br />
x,<br />
y)<br />
ln<br />
F<br />
th<br />
<br />
exp<br />
<br />
<br />
2<br />
2( x y<br />
w<br />
Fmax<br />
2<br />
2d<br />
z,0<br />
2 2<br />
( x,<br />
y)<br />
( x y ) d<br />
2<br />
w<br />
2<br />
) <br />
<br />
<br />
Abtragsgeometrie des ersten Pulses auf ideal<br />
glatter Oberfläche ist ein Paraboloid:<br />
z,0<br />
F<br />
ln<br />
F<br />
max<br />
Im Allgemeinfall sind Abtragsgeometrien nicht<br />
analytisch berechenbar.<br />
mögliche Modellierungsmethode: Raytracing<br />
th<br />
14<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
EINFLUSS VORHANDENER OBERFLÄCHENSTRUKTUREN<br />
AUF DAS BEARBEITUNGSERGEBNIS<br />
Modellierter <strong>Laser</strong>abtrag in Kupfer<br />
Einzellinie, 10 Überfahrten,<br />
1064nm, Fokusdurchmesser 12µm, M² = 1,3,<br />
50µJ/Puls, Puls-zu-Puls-Abstand 1µm<br />
15<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
PROZESSSTRATEGIE: FLÄCHIGER ABTRAG<br />
Hatching (gekreuzt)<br />
Spiralbahn<br />
16<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
ANLAGENSTEUERUNG<br />
<br />
<br />
<br />
Gemeinsame Steuerung von <strong>Laser</strong> und Handhabungssystem<br />
<strong>Laser</strong> ein-/ausschalten on the fly<br />
Synchronisation von <strong>Laser</strong> und Positioniersystem<br />
17<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
AUSSCHUSSRATENMINIMIERUNG<br />
<br />
<br />
<br />
<strong>Laser</strong>bearbeitungsergebnisse sind abhängig von vielen Parametern.<br />
Das mehrdimensionale Prozessfenster ist in einigen Dimensionen kritisch schmal.<br />
Erhöhte Prozessstabilität und geringere Ausschussraten durch<br />
Prozessüberwachung<br />
<strong>Laser</strong>pulsenergie-Monitoring<br />
Adaptive Prozessregelung<br />
<strong>Laser</strong>leistungsstabilisierung<br />
Autofokussystem<br />
Prozessbeobachtung mit rückkoppeln<strong>der</strong> Bil<strong>der</strong>kennung<br />
Prozessvorhersagemodelle<br />
Ausschussratenvorhersage anhand von Fokusnachregelungsaktivitäten<br />
http://www.midemma.eu<br />
FP7-2011-NMP-ICT-FoF<br />
FoF.NMP.2011-5 “Towards zero-defect manufacturing”<br />
11/2011–10/2014<br />
18<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
RIPPLE-STRUKTUREN<br />
E<br />
Stahl<br />
0,4J/cm², 800nm, 30fs, 1kHz, eine Überfahrt<br />
je Richtung, 250µm/s<br />
<br />
<br />
Ripple-Strukturen sind quasiperiodische<br />
Linienstrukturen mit einer<br />
Periode in <strong>der</strong> Größenordnung <strong>der</strong><br />
<strong>Laser</strong>wellenlänge (o<strong>der</strong> darunter),<br />
die senkrecht zur <strong>Laser</strong>polarisation<br />
ausgerichtet sind.<br />
Vermeidung/Reduktion: zirkular<br />
polarisierte <strong>Laser</strong>strahlung o<strong>der</strong><br />
rotierende Linearpolarisation<br />
19<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
SPIKE-STRUKTUREN<br />
E<br />
Titan<br />
800nm, 30fs, 1kHz<br />
<br />
<br />
Spike-Strukturen sind<br />
ungeordnete Mikrostrukturen mit<br />
nanorauer Oberfläche<br />
Erzeugung: Abscannen <strong>der</strong><br />
Oberfläche, keine scharfe<br />
Fokussierung nötig<br />
20<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
LOTUS-EFFEKT<br />
E<br />
Oberfläche eines Lotusblatts<br />
<br />
Ähnlichkeit zu Spike-Strukturen<br />
Wassertropfen auf einem Lotusblatt<br />
21<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
UNSTRUKTURIERTE TITANOBERFLÄCHE<br />
22<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
LOTUS-TITAN-OBERFLÄCHE<br />
23<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
ZUSAMMENFASSUNG<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Ultrakurzpulslaser sind universelle Werkzeuge für die<br />
Mikromaterialbearbeitung.<br />
Scharf definierte Ablationsschwellen ermöglichen laterale<br />
Strukturgrößen bis in den Sub-Mikrometerbereich.<br />
Abtragsgeometrien sind neben <strong>der</strong> <strong>Laser</strong>parameterabhängigkeit<br />
auch material- und oberflächengeometrieabhängig.<br />
<strong>Laser</strong>bearbeitung bedarf eigener Prozessstrategien.<br />
In <strong>der</strong> Prozessregelung besteht noch viel Potenzial.<br />
<br />
Spike- und Ripple-Strukturen ermöglichen funktionale Oberflächen.<br />
24<br />
GRUNDLAGEN DER ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG
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