Im MaLDeAn-Verbund haben sich der Optikspezialist Lissotschenko Mikrooptik (LIMO), das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT sowie LPKF Laser & Electronics als Lasermaschinenbauer zusammengeschlossen, um das immense Potential von Ultrakurzpulslasern (UKP) industriell nutzbar zu machen. Während der dreijährigen Projektlaufzeit konnten sowohl stabile Strahlformungsoptiken entwickelt, als auch wesentliche Erkenntnisse zur UKP-Laserstrukturierung gesammelt werden.
Laserbearbeitung von Oberflächen gelingt oft besser mit einer "Tophat" Intensitätsverteilung als mit einem klassischen gaußförmigen Strahlprofil. Bei herkömmlichen Pulsfrequenzen sorgen häufig Powell-Linsen für die Tophat-Strahlformung. Im MaLDeAn-Förderprojekt konnte LIMO nachweisen, dass Powell-Linsen auch für eine TopHat-Strahlformung bei UKP-Lasern geeignet sind.
Die Powell-Linse arbeitet in Kombination mit einer Feldlinse. Hierzu erfolgte bei LIMO die weitere Entwicklung eines monolithischen Gauß-zu-Tophat-Konverters (g2T®), bei dem die Feldlinse schon integriert ist. Eine sehr nützliche Eigenschaft des monolithischen Konverters ist, dass er bei umgedrehter Orientierung als Liniengenerator dient. Weitere Designs wurden für runde monolithische g2T-Konverter mit Spotdurchmessern von 44 µm erstellt.
Ein schneller Scanner auf Basis des elektrooptischen Effektes für die Pulsseparation von UKP-Lasern war die zweite Aufgabe für LIMO im MaLDeAn Förderprojekt. Hierbei wurde die Laserstrahlung durch einen nur 0,5 mm dicken MgO:LiNbO3 Kristall-Stab durchgefädelt. Durch Anlegen von vergleichsweise niedrigen Spannungen an dreieckigen Elektroden von ±200 V konnten Ablenkwinkel von ±0,4 mrad erreicht werden. Es handelt sich dabei um ein elektrooptisches Analogon zu einem refraktiven Prisma, die Ablenkfrequenzen können im MHz Bereich liegen.
Bei statischen Auslenkungen waren bereits im mW-Bereich Verzerrungen des Laserstrahls (Wellenlänge 532 nm) durch das verwendete Kristallmaterial zu beobachten. Diese Situation konnte durch Erhöhung der Ablenkfrequenzen, durch Änderung der Wellenlänge zu 976 nm oder durch homogenere Ausleuchtung des Kristalls verbessert werden.
Im Teilprojekt vom Fraunhofer ILT wurden erfolgreich eine In-Situ-Prozessanalyse auf Basis von Spektrometrie und OCT sowie eine adaptive Strahlformung mithilfe eines Spatial Light Modulators (SLM) für die UKP-Laserbearbeitung entwickelt. Durch die In-Situ-Prozesskontrolle kann der Materialabtrag pulsgenau analysiert werden, sodass bei flächigem Abtrag ein selektiver Abtrag noch nicht freigelegter Flächen durchgeführt werden kann. Der SLM erlaubt die Verteilung der Laserstrahlintensität auf mehrere Teilstrahlen, so dass mehrere Bohrungen gleichzeitig stattfinden können.
Um die in der Elektronikindustrie benötigten, sehr feinen Strukturgrößen umzusetzen, hat LPKF eine nichtlineare Frequenzkonvertierung von UKP-Strahlquellen zur zweiten (SHG) sowie dritten Harmonischen (THG) entwickelt. Dabei konnten Konversionseffizienzen >60 % für die SHG Konvertierung sowie >30 % für die THG Konvertierung bei nur geringfügig verschlechterten Strahlparametern erreicht werden. Die nichtlineare Konversion machte Untersuchungen der UKP-Laser Strukturierung an unterschiedlichen Anwendungen möglich. Die Versuche ergaben für einige Anwendungen eine Verbesserung der Strukturierungsqualität sowie eine Erhöhung der Strukturierungsgeschwindigkeit.
Das auf Basis dieser Ergebnisse entwickelte hochgenaue Anlagenkonzept steht für weitere Untersuchungen in dieser Richtung zur Verfügung. Im Anschluss an das Projekt entwickelte LPKF mit dem ProtoLaser R ein neues Prototyping-System, das Forschern und Entwicklern eine einfache und wirtschaftliche Möglichkeit bietet, um die UKP-Lasertechnologie kennenzulernen und anzuwenden.
Der Verbund MaLDeAn (Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen unter Verwendung schneller Deflektoren und Frequenzkonversion im Anlagenkonzept) wurde mit einem Projektvolumen von 2,5 Mio. Euro bei ca. 50 Prozent Förderanteil durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms „Photonik Forschung Deutschland“ und der Initiative „Ultrakurzpulslaser für die hochpräzise Bearbeitung“ von Anfang April 2012 bis Ende August 2016 gefördert.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Norbert Ambrosius
LPKF Laser & Electronics AG
Tel. +49 (0)5131 7095-1786
Norbert.Ambrosius(at)lpkf.com