AssistAb
Feldassistierte Laserablation
Innovativer Ansatz für die Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserimpulsen
Ziel des Vorhabens ist, die Bearbeitungsqualität bei der Materialablation mit modernen Lasersystemen signifikant zu verbessern und so einen Weg für neuartige Bearbeitungsstrategien zu ebnen. Indem Elektronen im Material durch einen Laser aufgeheizt und mit elektrischen und magnetischen Feldern bewegt werden, soll sich die Energieverteilung im Werkstück gezielt steuern lassen, die Abtragseffizienz deutlich steigern und die parasitären Wärmeverluste vermindern.
Die Materialbearbeitung mit kurzen und ultrakurzen Laserimpulsen (UKP) bietet zahlreiche Vorteile. Sie ermöglicht die Herstellung von feinsten Strukturen mit höchster Präzision und mit höchster Qualität der Schnitt- und Oberflächen. Sie gestattet beispielsweise die Herstellung von hochpräzisen Bohrlöchern mit Durchmessern von weniger als 100 μm oder den großflächigen Abtrag dünner Schichten von Oberflächen. Das Spektrum der Materialien, die mit ultrakurzen Laserimpulsen bearbeitet werden können, erstreckt sich von nichtleitenden Materialien (wie z. B. Glas oder Kunststoffe) über Halbleiter (wie z. B. Silizium) bis hin zu elektrisch leitenden metallischen Werkstoffen. Betrachtet man den mikroskopischen Prozess der Bearbeitung genauer, wird klar, dass im abzutragenden Volumen sehr hohe Temperaturen auftreten können. Die Energie eines Laserimpulses wird im Medium entlang des eindringenden Strahls sowie – wegen seines flächigen Profils – auch senkrecht dazu absorbiert. Der Strahl trägt die anvisierten Materialbereiche ab, in denen die absorbierte Energiemenge zur Sublimation bzw. zum Schmelzen ausreicht. In anderen, angrenzenden Bereichen heizt die eingebrachte Energie das Material ebenfalls auf, sodass diese ungewollt abgetragen werden können. Bei optimaler Intensität des Laserlichts und ausreichend großen Zeitabständen zwischen den Impulsen können die angrenzenden Bereiche vollständig abkühlen und so im zeitlichen Mittel „kalt“ bleiben – während gleichzeitig die gewünschten Bereiche eine hohe Energiedeposition erfahren und abgetragen werden.
Lokale Manipulation der räumlichen Energieverteilung
Zusammenfassend wird im innovativen Ansatz dieses Vorhabens also die räumliche Verteilung der Energie im Werkstück lokal manipuliert, indem die Elektronen im Material durch externe elektrische und/oder magnetische Felder beeinflusst werden.
Elektrische Felder sollen die Eindringtiefe der Energie steuern, indem sie Elektronen in Richtung des Laserstrahls beschleunigen oder bremsen. Magnetfelder sollen die Elektronen senkrecht zur Richtung des Laserstrahls einschließen und/oder gleichmäßig verteilen.
Der Ansatz geht damit weit über die bekannte Beeinflussung des Abtragsplasmas durch magnetische Felder bei der Makrobearbeitung oder eine potenzielle Veränderung der UV-Absorption in Silizium durch magnetische Felder hinaus.
