Neue Ultrakurzpuls-Laserquelle für die Bearbeitung von Nanomaterialien

Versuchsaufbau des Femtosekundenlasers. Blaues Licht wird von den neuen Pumpdioden emittiert. (Bild: B. Resan, FHNW)

Im Nano-Argovia-Projekt NanoLase entwickelt ein Team der Hochschule für Technik (FHNW), des Paul Scherrer Instituts und der Firma TLD Photonics AG (Wettingen, AG) eine neuartige Laserquelle, die ultrakurze Pulse erzeugt. Das neue Gerät soll im Vergleich zu bestehenden Lasersystemen kostengünstiger, zuverlässiger und kompakter sein und im Vergleich zu aktuellen Industrielasern um ein Vielfaches kürzere Pulse erzeugen – was den Übergang von der Lasermikrobearbeitung zur Lasernanobearbeitung ermöglicht. Neben der industriellen Materialbearbeitung wäre eine solche Laserquelle auch in den Life Sciences und zahlreichen anderen wissenschaftlichen Anwendungen von grossem Nutzen.

Verschiedene Parameter entscheidend
Laser werden heute zur Bearbeitung einer Vielzahl von Materialien eingesetzt. Wellenlänge, mittlere Leistung, Pulsenergie und Pulsdauer des Lasers sind Parameter, die an das jeweilige Material und Projekt angepasst werden müssen und entscheidend für das Ergebnis der Bearbeitung sind. Wie stark sich das Material erwärmt, die Qualität der Mikrostruktur verschlechtert und wie viel Material der Laser dabei abträgt, wird vor allem durch die Dauer des Laserpulses und die Bestrahlungsstärke bestimmt.

Soll bei der Bearbeitung mit einem Laser die Wärmeentwicklung auf einen sehr kleinen Bereich (Wärmeeinflusszone < 1 Mikrometer) reduziert werden, sind Pulse von extrem kurzer Dauer von weniger als 100 Femtosekunden (1 Femtosekunde = 10-15 Sekunden) erforderlich. Bisher war dies nur mit wissenschaftlichen Laseraufbauten in Forschungslaboren und mit geringer Leistung möglich. Dies führt zu nicht reproduzierbaren Ergebnissen und langen Bearbeitungszeiten, die für industrielle Anwendungen nicht akzeptabel sind.

Kürzere Pulse
Im Nano-Argovia Projekt NanoLase verfolgen die Teams von Projektleiter Prof. Dr. Bojan Resan (FHNW), Dr. Alexandre Trisorio (PSI) zusammen mit dem Industriepartner Stephan von Wolff (TLD Photonics AG) einen neuen Ansatz, der eine präzisere Bearbeitung durch kürzere Pulse ermöglicht – für Polymere und Glas mit Lasern mit Emissionswellenlängen im Infrarotbereich und für Metalle mit einer in den UV-Bereich konvertierten Laserwellenlänge.

Dies wollen die Forschenden durch die Entwicklung eines Laserverstärkers aus titandotiertem Saphir mit einer neuen Einkristallgeometrie (SCF) erreichen. Die SCF-Geometrie ermöglicht durch eine effizientere Kühlung eine mehrfache Steigerung der mittleren Laserausgangsleistung. Darüber hinaus werden die Wissenschaftler neuartige, kostengünstige blaue Laserdioden mit einer Wellenlänge von 445 Nanometern (Massenware für Displays und die Autoindustrie) zum Pumpen des titandotierten Saphirlasers verwenden, wodurch der Laser kompakt, kostengünstig und industrietauglich wird.

Die Ergebnisse dieses Projekts sollen den derzeitigen Mangel an kompakten, kostengünstigen und zuverlässigen Lasern beheben, die hohe Leistung und ultrakurze Pulse erzeugen und für die industrielle Mikro- und Nanobearbeitung geeignet sind.

«Das NanoLase-Projekt ist sehr aufregend und vielversprechend für TLD Photonics, da es dazu beiträgt, die neue Technologie zu entwickeln und ihren Einsatz in der Materialbearbeitung zu demonstrieren. Das Projekt kann eine neue Produktlinie für TLD Photonics hervorbringen, die den Durchbruch von der Lasermikro- zur Lasernanobearbeitung schafft.»

Stephan von Wolff, Vorstandsvorsitzender der TLD Photonics AG

 

Weitere Information

TLD Photonics
Hochschule für Technik (FHNW)
Paul Scherrer Institut