Piko- & Femtosekunden Faserlaser

Heutzutage erfordert das schnell wachsende Spektrum neuer fortschrittlicher Anwendungen ultrakurze Pulsdauern im Bereich von 10^-11 bis 10^-13. Laser, deren Pulsdauern im Piko- (ps) bis Femtosekundenbereich (fs) liegen, auch als Ultrakurzpulslaser (Ultrafast laser) bekannt, werden in der Regel nach dem Chirped Pulse Amplification-Verfahren produziert. Piko- und Femtosekundenlaser von IPG, die auf einer Master-Oszillator/Faserleistungsverstärker (MOFPA)-Architektur basieren,

sind besonders gut geeignet für die Erzeugung ultraschneller Pulse im Wiederholratenbereich von 10 kHz bis mehreren MHz mit Pulsenergien im Bereich von mehreren Mikrojoule bis ~1 mJ. Nicht-lineare harmonische Erweiterungen ermöglichen die Erzeugung von VIS- und UV-Pulsen. Solche Spezifikation sind ideal für die Mikromaterialbearbeitung und viele weitere Anwendungen.

Pikosekundenlaser (picosecond laser) und Femtosekundenlaser (femtosecond laser) sind in den letzten Jahren in vielen Forschungsbereichen, bei medizinischen Verfahren und in der Mikromaterialbearbeitung beliebter geworden. Im Sinne der Interaktion mit Material bezieht sich der Begriff „ultraschnell“ in der Regel auf das nichtthermische System der Energieabsorption. Das nichtthermische Absorptionssystem ist von Bedeutung, weil es thermische Schäden im Material reduziert und kleinere Merkmale, eine bessere Steuerung und eine bessere Mikromaterialbearbeitung ermöglicht.

Bei der Verwendung von Pikosekundenlasern & Femtosekundenlasern sind in erster Linie zwei wichtige Mechanismen für die Verschiebung der Absorption vom thermischen ins nichtthermische System verantwortlich:

1) Die sehr hohe Momentanspitzenleistung (im mehrfachen Megawattbereich) führt zur gleichzeitigen Absorption mehrerer Photonen, was von der Energie her der Absorption eines sichtbaren oder

UV-Photons entspricht. Im Vergleich zu IR-Lasern galt die Absorption von UV-Impulsen kurzer Wellenlänge lange selbst im ns-Modus als weniger thermisch und führte zu kalter Ablation anstatt zum Schmelzen und Verdampfen des Materials. Pikosekundenlaser und Femtosekundenlaser können vergleichbare Ergebnisse mit IR- oder grünem Licht erzielen und machen somit die Erzeugung von UV-Licht überflüssig.

2) Die Pulsdauer wird kürzer als die charakteristische Zeit der vibrierenden Entspannung im Material. Wenn die Energie schneller gespeichert wird, als sie durch das Material vom Auftreffpunkt weg abgeführt wird, wird die kalte Mehrphotonen-Absorption wirksamer und die Wärmeabfuhr wird reduziert. Im Gegensatz zu Nanosekundenlasern führt bei diesem System eine wachsende Pulsenergie zu höherem Durchsatz (einer höheren Materialabtragsrate) anstatt zu einer zusätzlichen Erwärmung des Materials.

Die Fortsetzung des Miniaturisierungstrends in der Elektronik- und Halbleiterbranche erfordert die Bearbeitung immer kleinerer Objekte mit hoher Reproduzierbarkeit, Genauigkeit und Präzision und hohem Durchsatz mit einer noch längeren Liste an Materialien. Dies führt zu einer wachsenden Nachfrage nach Pikosekundenlasern & Femtosekundenlasern, obwohl diese gegenüber den gepulsten Nanosekundenlasern höhere Kosten pro Watt aufweisen. Bis zur Einführung der IPG Ultrakurzpulslaser gab es jedoch noch viel Raum für Verbesserungen hinsichtlich der Komplexität ihrer Konstruktion, der Benutzerfreundlichkeit, Flexibilität, Packungsgröße, Robustheit und Zuverlässigkeit.

Basierend auf IPGs fundierten Kenntnissen der gepulsten Faserlasertechnologie hat IPG eine Reihe von ultraschnellen Faserlasern, Pikosekundenlasern und Femtosekundenlasern, für die präzise Mikromaterialbearbeitung entwickelt. Die Faserlaser-Pumpquellen und Faserlaser-Komponenten von IPG nutzen die systembedingten Vorzüge der Faserlasertechnologie, was höchst robuste und kostengünstige Laserwerkzeuge ermöglicht, die für die industrielle Verwendung optimiert sind. Dieses Laserangebot wird voraussichtlich den Einsatz von Mikrobearbeitung mit Ultrakurzpulslasern in der Industrie durch Entfernung der Kostenschwelle für den Betrieb und Verbesserung der Zuverlässigkeit erheblich ausweiten.

Die thermische Schädigung der umgebenden nicht-bearbeiteten Bereiche kann im Bereich der Materialbearbeitung mit Ultakurzpulslasern bei effizienten Materialabtragsraten durch Verwendung von Lasern mit einer Kombination folgender Merkmale minimiert werden:

• Erhöhte Fluenz (W/cm²) durch Verwendung kürzerer Pulse mit höherer Spitzenleistung
• Erhöhte Fluenz durch Verwendung eines fokussierbareren Strahls (geringer M²-Wert)
• Verbesserte Strahlqualität und Absorption durch Verwendung einer kürzeren Wellenlänge
• Erhöhte Pulsenergie oder Pulswiederholrate; dies kann den Durchsatz erhöhen, da beides die Durchschnittsleistung des Lasers steigert
• Verbesserte Strahllagestabilität für eine gleichmäßige Verarbeitung

Sowohl die optischen Parameter als auch die Prozessgeschwindigkeit müssen sorgfältig abgestimmt werden, um eine bestimmte

Mikrobearbeitungsaufgabe zu optimieren. Geschieht dies nicht, werden die erwartete hohe Qualität bzw. der erwartete Durchsatz nicht erreicht.

Dank der Entwicklungsarbeit von IPG in allen oben genannten Bereichen können unsere Laser und Systeme Material kostengünstig mit minimaler thermischer Schädigung und hohen Durchsatzraten bearbeiten. Die Piko- und Femtosekundenlaser-Modelle von IPG decken eine sehr breite Produktpalette mit allen Wellenlängen, Leistungsstufen und Pulsdauern ab.

Bei der Auswahl eines Lasers für eine kommerzielle Mikromaterialbearbeitungsanwendung muss ein optimaler Ausgleich mehrerer Ziele gefunden werden:

• gute Arbeitsqualität
• hoher Durchsatz
• Benutzerfreundlichkeit
• minimale Gerätekosten und Betriebskosten

Wenn mehrere Laser, die sich hinsichtlich Wellenlänge, Durchschnittsleistung und Pulsdauer unterscheiden, eine vergleichbare akzeptable Bearbeitungsqualität liefern können, wird im Allgemeinen dem 1 Mikrometer-Laser mit der längsten Pulsdauer und der höheren Durchschnittsleistung der Vorzug gegeben, da er den höchsten Durchsatz mit den geringsten Kosten ermöglicht. Spezifische Material- oder Prozessanforderungen können jedoch einen grünen oder ultravioletten Femtosekundenlaser erfordern. Ultraschnelle Erbium oder Thulium Laser können ebenfalls bevorzugt werden, wenn Wasser oder ein Nichtmetall- bzw. Polymerabsorptionsprofil eine Rolle spielen.