Arbeitsgruppe Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung in Flüssigkeiten

Die Ultrakurzpuls(UKP)-Laserbearbeitung findet derzeit Verwendung in der Nanopartikelsynthese durch Laserabtrag in Flüssigkeiten und beim Unter-Wasser Shock-Peening zur Härtung von Oberflächen. Neben diesen zwei bekannten Techniken bietet die UKP-Bearbeitung in Flüssigkeiten weitere potentielle Anwendungsgebiete, u.a. im Bereich der klassischen Mikromaterialbearbeitung oder der Funktionalisierung von Oberflächen. Dieses vielfältige Potential basiert auf den grundlegenden Unterschieden, sowohl im Prozess als auch im Ergebnis, zwischen der UKP-Laserbearbeitung in Flüssigkeiten und der Bearbeitung an Luft, Prozessgasen oder in Vakuum. Diese Unterschiede werden im Folgenden kurz erklärt:

 

Gasatmosphäre vs. Flüssigkeit:

 

Abb. 1: Die Bearbeitung an Luft, Gas und Vakuum (links) führt zu höherer thermischer Belastung und Partikel-Ablagerungen an der Oberfläche. In Flüssigkeiten (rechts) steigt zwar die Prozesskomplexität (z.B. durch Gasblasen) aber die zusätzlichen chemisch-physikalischen Wechselwirkungen eröffnen völlig neue Prozessmöglichkeiten.

 

Bearbeitung an Gasatmosphäre (Abb. 1, links): Obwohl ultrakurze Laserpulse mit Pulsdauern von weniger als 10 Pikosekunden für die geringfügige thermische Beeinflussung von Oberflächen bekannt sind, kommt es bei der Einwirkung mehrere Pulse innerhalb kürzester Zeit (hohe Puls-Repetitionsrate) zu akkumulierter Wärmeentwicklung im Arbeitsbereich (rot). Bei der Bearbeitung besonders filigraner Strukturen, beziehungsweise der Bearbeitung von Materialien mit geringer Wärmeleitung, führt dieser Effekt auch bei ultrakurzen Laserpulsen zur Ausbildung von unerwünschten Schmelzzonen. Dieser Effekt limitiert maßgeblich die Skalierung der UKP-Bearbeitung durch höhere Pulsenergien oder Puls-Repetitionsraten. Zusätzlich führt die Ablation von Material in Gasatmosphäre zur Rekondensation von sublimierter Materie und Ablagerung von Schmelzspritzern an der Werkstückoberfläche. Diese Verschmutzungen haften mitunter stark an der Oberfläche und sind nicht ohne Weiteres (Spülen, Ultraschallbad) wieder zu entfernen. Mit einem fokussierten koaxialen Gasstrom lassen sich diese Verschmutzungen stark reduzieren aber nicht vermeiden.

Bearbeitung in Flüssigkeiten (Abb. 1, rechts): Die Verwendung von Flüssigkeiten bringt im Vergleich mit der Bearbeitung an Gasatmosphären vier entscheidende Vorteile mit, so dass diese multifunktional eingesetzt werden kann als:

Kühlmedium

Der Wärmeübergang vom Werkstück auf die strömende Flüssigkeit ist aufgrund der hohen Dichte der Flüssigkeit im Vergleich mit Gasen wesentlich größer. Höhere Repetitionsraten und Pulsenergien können für die Bearbeitung eingesetzt werden.

 

Spülmedium

Abgetragene Mikro- und Nanopartikel werden durch die Flüssigkeit abgebremst, abgekühlt und abgeführt. Selbst wenn diese Partikel das Werkstück noch einmal berühren sind die Adhäsionskräfte vergleichsweise klein. Die nachträgliche Spülung des Werkstücks genügt daher zur Entfernung von Verschmutzungen.

Prozessmedium

Die Flüssigkeit selbst hat durch ihre physikalisch-chemischen Wechselwirkungen mit dem Material und dem Laserstrahl einen großen Einfluss auf das Abtragsverhalten (siehe Abb. 2) und kann so als Katalysator für eine höhere Prozesseffizienz eingesetzt werden. Zusätzlich können Inhaltsstoffe der Flüssigkeit die Oberfläche der Probe funktionalisieren (siehe Abb. 3).

Sicherheitsmedium

Neben der effektiven Bindung von Nano- und Mikropartikeln absorbieren Flüssigkeiten weiche Röntgenstrahlung wesentlich effektiver als Luft. Röntgenstrahlung kann bei der Wechselwirkung zwischen sehr kurzen aber energiereichen Laserpulsen und Materie entstehen und die empfohlenen Expositionsgrenzen für Menschen in der Nähe überschreiten. Somit dient die Flüssigkeit der Sicherheit und Gesundheit der Benutzer.

Abb. 2: Die Menge des abgetragenen Materials pro Laserpuls ist stark von der Umgebungsflüssigkeit abhängig


 

 

 

 

 

 

UKP-Laserbearbeitung in Flüssigkeiten im Detail

 

Innerhalb der hier vorgestellten Arbeitsgruppe werden die komplexen Wechselwirkungsmechanismen zwischen Laserstrahl, Flüssigkeit und Material untersucht und Anwendungsstrategien für eine Effiziente Bearbeitung entwickelt. Beispielhaft sind hier die Effekte eines 2 Pikosekunden langen Pulses auf eine Edelstahloberfläche mithilfe von Gegenlichtaufnahmen erläutert:

Abb. 3: Detaillierte Wechselwirkungen beim UKP-Laserprozess (Nummerierung ist im Text beschrieben)


 

 

 

 

 

 

 

Der fokussierte Laserstrahl trifft zum Zeitpunkt t0 auf die Metalloberfläche (Abb 3):

  1. In der Flüssigkeit bilden sich linienförmige Kaviationsblasen aus, die durch Filamentierung bei hohen Laserintensitäten entstehen. Diese sind 600 Nanosekunden nach dem Eintreffen des Pulses in der Gegenlichtaufnahme gut sichtbar. Nach 25 Mikrosekunden sind größtenteils kollabiert.
  2. An der Oberfläche entsteht ein Plasma.
  3. Aufgrund der hohen induzierten Temperaturgardienten an der Oberfläche entsteht eine mechanische Druckwelle, die sich sowohl im Metall als auch in der Flüssigkeit ausbreitet.
  4. Nano- und Mikropartikel werden von der Oberfläche ablatiert.
  5. An der Oberfläche bildet sich eine Kavitationsblase, die wieder kollabiert.
  6. Langlebige Gasblasen steigen innerhalb der Flüssigkeit auf.


Die steigende Partikelkonzentration innerhalb stehender Flüssigkeiten führt dazu, dass immer weniger Laserstrahlung an der Oberfläche ankommt. Gasblasen lenken Laserstrahlung ab und führen damit zu ungenaueren Ergebnissen. Mithilfe von optimierten Bearbeitungsstrategien kann gewährleistet werden, dass trotz der höheren Komplexität ein hocheffizienter Laserprozess ermöglicht wird.

 

UKP-Laserprozessierung in Flüssigkeiten Anwendungsbeispiele

 

Präzisionsschneiden von Siliziumwafern

Sauberer Abtrag von Graphen-Monolagen

Abb. 4: Links mit Gasstrom, Rechts in Flüssigkeit

Dottierung von Metallsalzen

Abb. 5: Silber Dotierung von Silizium, Links REM, Rechts EDX

Funktionalisierung von Oberflächen

Abb. 6: Der Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeiten und Oberflächen kann durch Laserbearbeitung verändert werden. Nach der Bearbeitung an Luft verändert sich dieser innerhalb von 2 Wochen stark, in Ethanol ist von Anfang an ein stabiles Verhalten zu beobachten

 

Weitere Informationen erhalten Sie bei Herrn Jan Hoppius oder Herrn Alexander Kanitz.