Verfahren und Systeme zur Mikro-undNanostrukturierung mit Ultrakurzpulslasern
Arnold Gillner
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik Aachen
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Gliederung
• Grundlagen Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung
• Werkstoffmodifikation mit UKP-Laserstrahlung
• 2-Photonen-Prozesse mit UKP-Lasern
• Laserabtrag mit ns- und ps-Lasern
• Laserstrahlquellen zum Präzisionsabtrag
• Maschinentechnik zum Präzisionsabtrag mit Laserstrahlung
Übersicht
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Egap = n*EPh
a) b)
a) Multiphotonen-Absorption ~ In
b) Avalanche-Ionisation ~ I
Metallisches Verhalten aller Werkstoffewährend und kurz nach Bstrahlung
• Elektron-Phonon Wechselwirkung (tep < 1 ps)
Plasmadynamik
• Phonon-Phonon Wechselwirkung (tpp < 100 ns)
Schmelzbildung Mikrostrukturelle Eigenschaftsänderung
Grundlagen Laser-Wechselwirkung
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ps-Wechselwirkung mit Metallen
• Energieabsorption an Elektronen• Übertragung der Energie an Gitter
nach typischerweise 10 ps• Erwärmen und Aufschmelzen
nach Ende des Laserpulses
• Keine Wechselwirkung Strahlung mit Dampf und Schmelze
• Überwiegend dampfförmiger Abtrag
• Minimale thermische Eindringtiefe
txierfct
KIxT
κκ
42)( 0 ⋅=
Grundlagen Laserabtrag
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2-Temperatur-Modell der KurzpulsbearbeitungTemperaturen
Elektronentemperatur
Kopplungskonstante
Phononentemperatur
( ) ( ) optLEEE
E ETTGTt
Tc +−−∇⋅⋅∇=∂∂ λ
( )LEL
L TTGt
Tc −=∂∂
( ) EE
e
TTvnmG
τπ
6
2
=
Eopt =Absorbierte optische Energieme =Elektronenmassene =Elektronendichtev =Elektronengeschwindigkeitτ =Zeit zwischen zwei Elektronenstößen
Grundlagen Laserabtrag
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2-Temperaturmodell der Kurzpulsbearbeitung
8000
6000
4000
2000
Zeit t / ns
Oberflächentemperatur T / KLaserpulsGittertemperatur (1-Temperatur-Modell)Gittertemperatur (2-Temperatur-Modell)Elektronentemperatur(2-Temperatur-Modell)
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4
Grundlagen Laserabtrag
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Wechselwirkung Kurzpulslaser mit Metallen
Grundlagen Laserabtrag
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2-Photonenprozesse zur Mikro- und Nanostrukturierung
Grundlagen Ultrakurzpuls-Verfahren
• Fokussierung von Femtosekunden-und Pikosekunden-Laserstrahlungmit hoher numerischer Apertur
• Erzeugung hoher Photonendichten
• Addition der Photonenenergien im Fokus
• Reduzierung der Wechselwirkungsgeometrie
• Nutzung nichtlinearer Absorptionsphänomene
• UV-Strukturierung in transparenten Medien
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Modifizierte Linien in dotierten Gäsern als Basis fürintegrierte Wellenleiterlaser
Volumen-Wellenleiter durch lokalisierteBrechungsindesänderung
Lokalisiertes Schmelzen und schnelles Abkühlen führt zu thermomechanischem Stress
Materialbewegung führt zu Arealen mit höherer und niedrigerer Dichte und Brechungsindex
Werkstoffmodifikation mit Ultrakurzpuls-Verfahren
Schreiben von Wellenleitern und Mikrokanälen
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Interferenzmikroskopie von Wellenleitern
Strahlkaustik
Brechungsindex-Abfall
Brechungsindes-Anstieg
Aufsicht ↑
Querschnitt ↓Fernfeld-Intensitäts-Verteilung des imMonomode-Wellenleitergeführten Lichts
Werkstoffmodifikation mit Ultrakurzpuls-Verfahren
Schreiben von Wellenleitern und Mikrokanälen
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Quarz
λ =1045 nm
tp = 500 fs
f = 250 kHz
Polarisation
Polarisation
200nm
Nano-Strukturierungunterschiedlicher Werkstoffeohne thermische Beeinflussungdurch nichtlineare Effekte
Werkstoffmodifikation mit Ultrakurzpuls-Verfahren
Erzeugung periodischer Nanostrukturen
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2-Photonenprozesse zur 3-D-Bauteilgenerierung
Nano-Manufacturing mit Ultrakurzpulslasern
Anregungsvolumen mit ausreichender Intensität zur Multiphotonen-Polymerisation
Absorptionswahrscheinlichkeit ~ Pn
P: Photonenenergie
n: Anzahl Photonen zur Absorption
AnregungsvolumenBreite ~ λ/2Höhe ~ λ
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2-Photonenprozesse zur 3-D-Bauteilgenerierung
LZH
Anwendungen• Mikrooptik• Tissue Engineering• Mikromechanik• Biofunktionale Oberflächen
Nano-Manufacturing mit Ultrakurzpulslasern
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Photochemische Nanofunktionalisierung• Chemische und strukturelle Nano-Modifikation < 100 nm durch
Kombination von Interferenzbestrahlung, Multiphotonen-Absorption und photochemischer Aktivierung von Polymeren und aktivierbarenDünnschichten
Multistrahl-InterferenzReduktion des Bestrahlungsfelds
Multiphotonen-Absorption
Photochemische Aktivierung
PL PL
BM
PL
BM
hν hν\T
Nano-Manufacturing mit Ultrakurzpulslasern
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Materialabtrag mit ps-Puls-Bursts
• Laser SuperRapid (Lumera Laser)• Pulsdauer t =12 ps• Repetitionsrate f ≤ 500 kHz• Multi puls option: ja• Interpuls-Separation Δt n = 20 ns• Burst Energie EB max 200 μJ
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Verfahrensstrategie zum Präzisionsabtrag
Schnitt mitBearbeitungsschichten
Bearbeitungs-spuren
Randschnitte
Schraffur
Brennfleck
Spurabstand
Typische Parameter:
Fokusdurchmesser 20 µm
Spurabstand 5-10 µm
Schichtstärke 0.1 - 1 µm
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Einflussfaktoren LaserabtragÄnderung der Schichtstärke in Abhängigkeit von Fokuslage und
eingesetzter Laserleistung
0
0.5
1
1.5
2
2.5
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Fokuslage / mm
Sch
icht
stär
ke/ µ
m 5
13.6
10.4
1.73
2.97
Pulsenergie bei 50 kHz, 20ns
100µJ270µJ200µJ35µJ60µJ
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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1 mm
MikroabtragWerkzeugtechnik
Pulsdauer 100 nsEinzelpuls
Pulsdauer 10 psTriple-Puls
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Laserabtrag mit ns-Laser
Komplexes Spritzgussteilmit multiplen Bohrungen
Erodiert
Laserabtrag mit ns-Laser
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Laserabtrag mit ps-Laser
Erodiert
• Bearbeitungszeit: 10 Std.• Keine Erodierwerkzeuge• Abtragsqualität
vergleichbar mit Erodieren
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Laserabtrag mit ps-Lasern in Hartmetallen
Prägewerkzeug in Wolframkarbid Prägeergebnisse in Federstahl
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Laserabtrag mit ns-LaserKugelkappe vertieft mit:
d≅100μm
Tiefe=25μm
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Mikrospritzgusswerkzeug für Linsenarray mit ps-Abtrag
Multilinsen-Spritzgusswerkzeug Nach laserbasierter Werkzeugpolitur Oberflächenqualität besser 100 nm
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Mikrospritzgusswerkzeug für Linsenarray mit ps-Abtrag
Multilinsen-Spritzgusswerkzeug Nach laserbasierter Werkzeugpolitur Oberflächenqualität besser 100 nm
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Mikrospritzgusswerkzeug für Lichtleitelemente
Trapez-Oberfläche in Spritzgusswerkzeug
Anwendung als Lichtleitelemente in Instrumententafeln und LCD-Displays
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Mikrobohren mit ps-Laserstrahlung
Querschliff einer Einspitzdüse1 mm Stahl
Hohe Qualität mit Rauigkeit < 1 μm
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Mikrobohren von Tintenstrahldüsen
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Mikroabtrag mit hohen Repetitionsraten
Quelle:Lumera
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Verfahrensspezifische Modulation der Laserleistung
Erhöhung der Abtragsleistung
Reduzierung der Rauhigkeit
• Oberflächenkonditionierung
• Veränderung der atmosphärischen Bedingungen
• Werkstoffvorheizung
• Veränderung der Plasmabedingungen
• Kontrolle der Schmelzentwicklung
• Nachbearbeitung
Tailored Pulse Trains
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Pulse burst timings
Geometry squares 2 mm x 2mm
number of layers 200
double pulses: variation of pulse energy E2,1 : E2,2
triple pulses: variation of Δt1 and Δt2 forE3,1 = E3,2 = E3,2
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Abtrag mit ps-Triple-Pulsen
νl = 100 kHzτ = 12 psmark speed = 400 mm/sline overlap ca. 70 %f = 120 mmE3,1 = E3,2 = E3,2
0 100 1000 100000,00,20,40,60,81,01,21,41,61,8
Δt1 = 20 ns; Δt2 changes Δt1 = changes; Δt2 = 20 ns
Abla
tion
dept
h d
[µm
]
Interpulse separation Δt [ns]
EB = 8 µJ
0 100 1000 100000,00,20,40,60,81,01,21,41,61,8
Abl
atio
n de
pth
d [µ
m]
Interpulse separation Δt [ns]
Δt1 = 20 ns; Δt2 changes Δt1 = changes; Δt2 = 20 ns
EB = 16 µJ
0 100 1000 100000,00,20,40,60,81,01,21,41,61,8
EB = 22 µJ
Δt1 = 20 ns; Δt2 changes Δt1 = changes; Δt2 = 20 ns
Abla
tion
dept
h d
[µm
]
Interpulse separation Δt [ns]
3× depth single pulse 5,3 μJ
3× depth single pulse 7,3 μJ
3× depth single pulse 2,7 μJ
Ergebnisse:• Erhöhung der Ablationstiefe um bis zu 90 % verglichen mit
Einzelpulsen bei gleicher Pulsenergie EB
• Erhöhung der Ablationstiefe um bis zu 20 % verglichen mit3 Einzelpulsen bei EB/3
• Ablationstiefe nahezu unabhängig der Zeitabstände Δt1 und Δt2
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Verringerung der Rauheit bei ps-Triple-Pulsen
0 100 1000 100000
1
2
3
4
5
Rou
ghne
ss R
a [µ
m]
Interpulse separation Δt [ns]
Δt1 = 20 ns; Δt2 changes Δt1 = changes; Δt2 = 20 ns
EB = 8 µJ
0 100 1000 100000
1
2
3
4
5
6
7
Rou
ghne
ss R
a [µ
m]
Interpulse separation Δt [ns]
Δt1 = 20 ns; Δt2 changes Δt1 = changes; Δt2 = 20 ns
EB = 16 µJ
0 100 1000 100000
1
2
3
4
5
6
7
Rou
ghne
ss R
a [µ
m]
Interpulse separation Δt [ns]
Δt1 = 20 ns; Δt2 changes Δt1 = changes; Δt2 = 20 ns
EB = 22 µJ
single pulse ablation at 5,3 μJ
single pulse ablation at 7,3 μJ
single pulse ablation at 2,7 μJ
Ergebnisse:• Δt1 = 20 ns Ra ist vergleichbar zu Einzelpulsen E1 = E2
• Δt2 = 20 ns Ra ist nahezu unabhängig von Δt1
• Ra < 0.7 μm ist erreichbar über einen weiten Parameterbereich• Best-erreichte Rauhheit: Ra = 0.5 μm
νl = 100 kHzτ = 12 psmark speed = 400 mm/sline overlap ca. 70 %f = 120 mmE3,1 = E3,2 = E3,2
Werkstoffbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
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Aufbau ps-Laser
• Erzeugung von ps-Pulsen im Modelock-Oszillator bei Pulsfrequenzenbis 100 MHz
• Selektion einzelner Pulse• Nachverstärkung • Kompression• Erhalt von Strahlqualität und Peakleistung
über großen Arbeitsbereich• Leistungsskalierung bis Multi-MHz und Multi-100 W
Laserstrahlquellen zum Präzisionsabtrag
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Lieferanten ps-Laser
1064 nm12 ps50 W@1MHzM² < 1.2Puls Bursts
LumeraHyper-Rapid
1030 nm< 10 ps
50 W@250kHzM² < 1.3
TrumpfTruMicro5050
1064 nm< 12 ps
>10 W@8MHzM² < 1.3
Time BandwidthFuego
1064 nm< 15 ps
>18 W@200kHzM² < 1.3
CoherentTalisker
Laserstrahlquellen zum Präzisionsabtrag
1064 nm< 20 ps
>20 W@4MHzM² < 1.3
CorelaseX-lase
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Entwicklung kommerzieller ps-Laser
• Hohe Repetitionsraten bis 50 MHz
• Hohe mittlere Leistungen bis 500 Wbei gleichzeitig hoher Strahlqualität
• Puls-Burst-Systeme für optimierten Abtragund hohe Oberflächenqualität
• Kompakte Bauformen
• Kostenreduktion von 250.000 € bei 50 Wauf 100.000 € bei 200 W (bei entsprechenden Stückzahlen)
• Schnelle Leistungs- bzw. Energiemodulation
Steigerung der Abtragsrate von 0.5 mm³/minauf 50 mm³/min
Laserstrahlquellen zum Präzisionsabtrag
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Maschinen zur 3D-Präzisions-Laserstrukturierung
5-Achs-Konzept2D-ScannerQ-switch + cw15 μm GenauigkeitModulares Systemkonzept
Concept LaserM3 Linear
3-Achs-Konzept3D-ScannerQ-switch15 μm GenauigkeitIntegrierte Tiefenkontrolle
Sauer LasertecDML40Si
3-Achs-Konzept2D-ScannerQ-switch + cw20 μm GenauigkeitModulares Systemkonzept
FOBAGP 9000
Maschinentechnik zum Präzisionsabtrag mit Laserstrahlung
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Scantechnik zur 3D-Präzisions-Laserstrukturierung
Maschinentechnik zum Präzisionsabtrag mit Laserstrahlung
Hochleistungs-Galvanometerscanner
- Positioniergeschwindigkeit bis 10 m/s- Bahngeschwindigkeit bis 3 m/s bei
hoher Genauigkeit
Strahlfokussierungssysteme
F-Theta-Objektive- Großer Arbeitsabstand- Bildverzerrung- keine angestellte Bearbeitung möglich
Vario-Scan-Objektive- Keine Spotverzerrung- kleiner Arbeitsabstand- hohe Scangeschwindigkeit
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Arnold Gillner
Fraunhofer ILT, Aachen
Fraunhofer Institute for Lasertechnology
Steinbachstraße 15
D-52074 Aachen, Germany
Phone: +49 (0) 241 89 06 -148
Fax: +49 (0) 241 89 06 -121
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