Ultrakurzpuls-Laser zur dreidimensionalen Mikrostrukturierung von Druck- und Prägeformen

Ultrakurzpuls-Laser haben hinsichtlich Qualität und Präzision in der Mikrostrukturierung in vielen Anwendungsfeldern Vorteile gegenüber anderen Laserstrahlquellen. Durch die extrem kurzen Pulse und die hohe Pulsenergie kann materialunabhängig nahezu ohne Schmelzerzeugung abgetragen werden. Ein durch den hohen Verdampfungsanteil systembedingter Nachteil ist allerdings, dass die Produktivität im Vergleich zu ns-Laserpulsen sehr gering ist. Ziele der vorliegenden Arbeit waren daher, einen Hochrate-Ultrakurzpuls-Laser für eine dreidimensionale Strukturierung von zylindrischen Oberflächen zu etablieren, geeignete Pulspicker für eine externe Modulation des Laserstrahls zur Erzeugung von Bitmap-Mustern zu untersuchen und damit die maximal mögliche Auflösung des Systems zu bestimmen. Auf dieser Basis wurde eine neue Verfahrenstechnik zum Ultrakurzpulsabtrag mit einer deutlichen Erhöhung der Produktivität evaluiert und diese auf die Strukturierung galvanisch aufgebrachter Kupferoberflächen übertragen. Zum Einsatz kam dabei ein neuartiger Ultrakurzpulslaser mit einer Wellenlänge von 1064nm, einer Pulsdauer von 10ps, Energiedichten von bis zu 20J/cm² und Pulsfolgefrequenzen von bis zu 3,3MHz. Um den Vorteil des Ultrakurzpuls-Laserabtrags nutzen zu können, müssen die Einzelpulse beim Abtrag zeitlich so separiert werden, dass es zu keiner Wechselwirkung des Laserpulses mit einer durch den vorangegangenen Laserpuls erzeugten Schmelze bzw. keiner Puls-zu-Plasma-Wechselwirkung kommt. Bei flächigen Abtragverfahren, bei denen das Werkstück mäanderförmig abgescannt wird, können die Pulse nebeneinander gesetzt werden. In diesem Fall wird die nötige Pulsfolgefrequenz durch die Scangeschwindigkeit bestimmt. Eine Anwendung, bei der systematisch eine hohe Scangeschwindigkeit erreicht werden kann, ist das Gravieren von Präge- und Druckzylindern. Da in diesem Fall das Werkstück rotationsymmetrisch ist, kann eine sehr hohe gleichmäßige Umfangsgeschwindigkeit erreicht werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass mit ultrakurzen Laserpulsen Strukturgeometrien >2µm und eine Tiefenauflösung von >200nm ohne signifikante Schmelzanteile möglich sind. Aufbauend auf den Untersuchungen zur erzielbaren Auflösung wurde eine Strategie zur dreidimensionalen Strukturierung von Zylinderoberflächen entwickelt und untersucht. Mit den durchgeführten Versuchsreihen konnte zwar gezeigt werden, dass eine hohe Pulsenergie ohne bzw. mit einer minimalen Puls-zu-Puls-Wechselwirkung in eine hohe Abtragrate von bis zu 4mm³/min umgesetzt werden kann. Da sich die Abtragrate aber logarithmisch zur angewendeten Fluence verhält, lässt sich die Produktivität jedoch effizienter durch eine Erhöhung der Pulsfolgefrequenz realisieren. Dies führt bei gleichbleibenden Maschinenparametern zu einer erhöhten Puls-zu-Puls-Wechselwirkung, die sich nachteilig auf die zu erzielende Qualität auswirkt. Vor diesem Hintergrund galt ein anderer Teil dieser Arbeit der Entwicklung einer schnellen Scantechnik für einen Hochrate-Ultrakurzpuls-Laser. Das Strahlablenksystem hat die Aufgabe, einen definierten Puls-zu-Puls-Abstand einzustellen. Die Verbindung aus einer schnellen Achse und einer langsamen Achse hat sich aus Effizienzgründen als sinnvoll bestätigt, da sowohl ein Polygonscanner einen nicht nutzbaren Bereich an den Facettenübergängen hat, wie auch ein AOD (Akusto-Optischer-Deflektor) eine Beugungseffizienz im Bereich von 80% besitzt.