Pikosekundenlaser | gepulste Laser

Aus induuxWiki

Was ist/sind Pikosekundenlaser? Definition:
➡ Der Pikosekundenlaser ist ein gepulstes Lasersystem dessenPulsweiten in der Größenordnung 10^-12 s (ps) dimensioniert sind.

Synonym(e): Ultrakurzpulslaser, Short pulse Laser


Der Pikosekundenlaser gehört damit in die Klassen der Kurzpulslaser, sowie der Ultrakurzpulslaser. Die Nomenklatur dieser Klassen ist eher umgangssprachlich und nicht klar definiert. In der begrifflichen Abgrenzung gibt es jedoch formell den Konsens, der Klasse der Ultrakurzpulslaser die Pikosekundenlaser, Femtosekundenlaser und Attosekundenlaser zuzuordnen.

Erzeugung ultrakurzer Pulse

Pikosekundenlaser der ACI Laser GmbH
Ein Pikosekundenlaser im Design eines Fiberlasers der ACI Laser GmbH

Als laseraktives Medium werden häufig neodym- oder ytterbiumdotierte Glaskörper genutzt, welche von außen mit einer Wellenlänge „gepumpt“ werden, für welche sie ein gutes Absorptionsverhalten aufweisen. Im Laserresonator bilden sich stehende Wellen aus und über aktive Modenkopplung werden Pulse erzeugt. Diese werden derartig abgestimmt, dass sie über eine möglichst hohe spektrale Linienbreite verfügen. Über entsprechende Verzögerungsoptiken werden durch die hohe spektrale Breite die Pulse zeitlich „verbreitert“ und über eine nachgelagerte Kompressionsoptik zeitlich stark komprimiert. Diese Kompression findet häufig in einem optischen Verstärker statt. Durch die zeitliche Kompression überlagern sich die anschwingenden Lasermoden innerhalb eines sehr kurzen Zeitfensters und prägen hierbei Pulse mit einer extrem hohen Pulsspitzenleistung (z.B. 10 MW) aus.

Pikosekundenlaser in der Lasermaterialbearbeitung

Der Vorzug der Pikosekundenlaser in der Lasermaterialbearbeitung liegt einerseits in den sehr hohen Pulsspitzenleistungen. Diese ermöglichen in der Wechselwirkung mit Materialien einen plötzlichen Phasenübergang von fest in gasförmig, sodass der Zustand der Schmelze hierbei nahezu „übersprungen“ wird. Die ausbleibende Schmelze ist daher in vielen Anwendungen eine Voraussetzung für ein qualitativ hochwertiges Bearbeitungsergebnis.

Ein weiterer Vorteil liegt in der kürze der Pulse. Materialien verfügen über spezifische Wärmeleitungseigenschaften. Die Wärmeleitung hat eine gewisse Trägheit, deren Maß über dem Zeitfenster der kurzen Laserpulse liegt. Die Laserpulse liegen also gar nicht lange genug an, um eine nachteilige Wärmeleitung zu ermöglichen. Das trägt zur Schonung des Materials bei und erhält bspw. die Eigenschaft der Korrosionsbeständigkeit, da im Falle von Edelstahl die passivierenden Chromschichten nicht durch einen zu großen Wärmeeintrag zerstört werden.

Pikosekundenlaser in der industriellen Laserbeschriftung

black marking on aluminium with picosecond laser


In der industriellen Laserbeschriftung ist der Pikosekundenlaser noch gar nicht so weit verbreitet. Dennoch etabliert er sich zunehmend mehr. Auf dem Feld der Laserbeschriftung wird stark von den hohen Pulsspitzenleistungen, sowie der ultrakurzen Pulse profitiert. Gerade in der Mikrobearbeitung und dem ultrapräzisen Materialabtrag wird man zukünftig um den Pikosekundenlaser nicht mehr herum kommen.

Feingravuren

Je kleiner, detaillierter und tiefer eine Lasergravur dimensioniert ist, umso mehr kommen klassische Lasersysteme an ihre Grenzen, da sich durch Phasenübergänge Schmelze ausprägt, was zur Gartbildung führt. Andererseits kann bei tiefen Gravuren das abgetragene Material nicht mehr sauber abgeführt werden, was wiederum die Gravur zusetzt. Der Pikosekundenlaser dahingegen überführt das Material impulsartig von fest in gasförmig, was einerseits die Schmelzphase "überspringt" und andererseits durch die plötzliche Volumenexpansion das Material sauber aus der Gravurfuge "herausschleudert". Das Ergebnis ist eine saubere und perfekt definierte Gravur ohne störenden Grat. In den meisten Fällen ist eine Nachbearbeitung nicht notwendig.

Schwarzmarkierung

Die Anforderungen an Laserbeschriftungen steigen zunehmend. Auch darunter werden hohe Forderungen an den optischen Kontrast gestellt. Bei bisherigen Lasersystemen hatte man häufig den Nachteil, zwar einen hohen optischen Kontrast zu erhalten, das jedoch zu Ungunsten der chemischen und mechanischen Eigenschaften der Materialoberfläche. So kommt es häufig bei beispielweise durch Kohlenstoffabscheidung induzierte Schwarzbeschriftungen zu einer reduzierten Korrosionsbeständigkeit von Edelstahlhalbzeugen. Der Pikosekundenlaser ermöglicht dahingegen eine Schwarzmarkierung durch eine wie eine "Lichtfalle" wirkende Mikrostruktur. Hierbei wird bspw. eine Rauhigkeit erzeugt, welche das sichtbare Licht "einfängt" und in der Struktur auslöscht, sodass dieses nicht rückreflektiert wird. Hierbei handelt es sich um eine sogenannte "kalte Ablation", da die Wärmeleitung des Materials deutlich träger ist als die Pulsdauer des Lasers. Das wiederum führt zu einer Schonung der Materialoberfläche, indem bspw. die passivierende Chromschicht von Edelstahl nicht zerstört wird.

Neben Edelstahl ist auch eine Schwarzmarkierung auf Aluminium möglich und einfach realisierbar. Der Mechanismus der Oberflächenstrukturierung ist ähnlich dem von der Schwarzmarkierung auf Edelstahl. Hier werden ebenfalls feine Gitterstrukturen erzeugt, deren Gitterkonstanten sich in der Größenordnung der Laserwellenlänge ausprägen. Das Besondere dabei ist, dass die Schwarzmarkierung wie ein Farbumschlag wahrgenommen wird. So sind auf der Aluminiumoberfläche trotz des Laserprozesses die Oberflächentexturen zu sehen.

Schwarzmarkierung auf Aluminium mittels Pikosekundenlaser
Die Schwarzmarkierung auf blankem Aluminium wirkt wie ein Farbumschlag. Die Oberflächentexturen bleiben erhalten. Diese Markierung wurde mit einem Pikosekundenlaser der ACI Laser GmbH realisiert.

Markierung von Glas

Die lasergestützte Markierung von Glas wird bisweilen mittels CO2-Laser vorgenommen. Der Vorteil liegt zwar darin, dass der Prozess relativ schnell vonstatten geht, der Nachteil ist aber der, dass durch das plötzliche Aufschmelzen und ebenso plötzliche Erstarren des Glases Spannungen im Material verweilen und diese sich mit der Zeit durch Zerplatzen entladen. Damit entstehen kleine Splitter auf der Oberfläche, was die Gläser bspw. für die Aufbewahrung von Lebensmitteln ungeeignet macht. Der Pikosekundenlaser dahingegen bringt derartig hohe Pulsspitzenleistungen auf die Materialoberfläche, dass durch nichtlineare Absorption das Material verdampft wird und eine Struktur entsprechend der Gitterkonstanten aus Scangeschwindigkeit und Pulsfolgefrequenz entsteht. Durch diffuse Reflexion erscheint die Glasmarkierung weiß.