Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung

Ultrakurzpuls-Laser (UKP-Laser) sind Laser, die Lichtpulse im Piko- oder Femtosekundenbereich emittieren. Die Grundlage dieser faszinierenden und hochfunktionalen Technologie sind nichtlineare Effekte der Optik. Die exorbitante Spitzenleistung ermöglicht eine ‚kalte Bearbeitung‘ des Werkstoffes. Möglich machen dies die kurzen, energiereichen Laserpulse, die das Material direkt sublimieren lassen. Es kommt dabei nur zu einem sehr geringen Wärmeeintrag. UKP-Laserbearbeitung zeichnet sich durch präzise Schnitte und sehr feine Strukturen mit minimaler Schädigung aus. Die erstaunlichen Möglichkeiten dieser Technik machen sich die Medizintechnik und die Mikroelektronik zunutze. In der Materialbearbeitung spielen UKP-Laser dort eine wichtige Rolle, wo es um hohe Präzision und filigrane Geometrien geht.

Mehr zum Thema Laser gesucht? Hier finden Sie einen Artikel zum Diodenlaser.

Ultrakurzpulslaser – Technologie

Ultrakurzpuls-Laser haben die außergewöhnliche Eigenschaft, Lichtpulse von extrem kurzer Dauer im Bereich von Piko- oder Femtosekunden erzeugen zu können. Um eine Vorstellung für diese Dauer zu bekommen, sollte man sich bewusst machen, dass eine Pikosekunde (10^-12) ein millionstel von einem millionstel einer Sekunde ist. Die dafür nötige Technologie ist komplex und nutzt nichtlineare Phänomene der Optik.

Ultrakurze Laserpulse lassen sich auf zwei Arten und Weisen erzeugen:

• Modenkopplung: Man koppelt viele (hunderte bis tausende) Lasermoden miteinander phasenstarr. Das Ziel der Kopplung ist einen einzigen, intensiven und sehr kurzen Puls zu erzeugen.
• Chirped-Pulse-Amplification (CPA): Man erzeugt zuerst energiereiche Laserpulse, die außerhalb des Resonators in einem Verstärker gestreckt werden. Die Streckung verringert die Energiedichte des Laserpulses. Indem der gestreckte Laserpuls nun ein Verstärkermedium durchläuft, wird er energetisch angereichert. Im Anschluss an die Verstärkung komprimiert man nun den Laserpuls wieder. Ergebnis ist ein Laserpuls mit außergewöhnlich hoher Leistungsdichte, der nun für die Anwendung eingesetzt werden kann. Mit CPA lassen sich Pulsspitzenleistungen im Petawatt-Bereich (10¹⁵) erzeugen. Die erreichte Leistungsdichte ist so hoch, dass ein Laserpuls dieser Stärke nicht direkt in einer Laserstrahlquelle erzeugt werden könnte. Das Verstärkermedium des Lasers würde beschädigt oder sogar zerstört.

Was UKP-Laser so speziell macht, ist die unerwartete Wechselwirkung des Materials mit dem extrem kurzen, energiereichen Puls: Konventionelle Langpulslaser verursachen häufig unerwünschte thermische Effekte, da es zum Erhitzen, Schmelzen und Verdampfen des Materials kommt. Verformungen oder Mikrorisse sind die Folge, die Oberflächenqualität kann beeinträchtigt werden. UKP-Laser wirken dagegen durch ‚kalte Ablation‘: Bedingt durch die ultrakurze Pulsdauer und die sehr hohe Spitzenleistung interagieren die Photonen mit den Elektronen des Materials sehr rasch. Die Elektronen werden folglich direkt ionisiert und unmittelbar aus dem Material gerissen. Dieser Prozess erfolgt in so kurzer Zeit, dass die Energie gar nicht als Wärme auf die Gitterstruktur des Materials übertragen werden kann. Ein direkter Phasenübergang vom Feststoff zum Plasma findet statt.

Die Wirkweise der ‚kalten Ablation‘ ermöglicht eine sehr schonende und hochpräzise Materialbearbeitung. Es ist möglich sehr feine Strukturen zu erzeugen ohne dabei das umliegende Material thermisch zu beeinflussen. Das ist für Anwendungen entscheidend, für die hohe Präzision essenziell ist. Das ist bei der Erzeugung individueller medizinischer Implantate, der Halbleiterbearbeitung für Mikrochips, der Herstellung hochpräziser Werkzeuge sowie dem Schneiden von Glas für Displays der Fall.

Die Weiterentwicklung von UKP-Lasersystemen schreitet laufend voran. Die entwickelten Systeme können noch kürzere Laserpulse bis in den Bereich von Attosekunden erzeugen und erfahren eine sukzessive Miniaturisierung. Hersteller von Kurz- und Ultrakurzpuls-Lasern haben es geschafft, Bearbeitungsmethoden wie Schneiden, Bohren, Abtragen bzw. Strukturieren für unterschiedliche Materialien standardmäßig zu ermöglichen.

Bearbeitung mit Ultrakurzpulslaser

UKP-Laserbearbeitung hat die Präzisionsbearbeitung ein Stück weit revolutioniert: Die Bearbeitung vieler Materialien ist nun mit einer Genauigkeit und einer geringen thermischen Beeinflussung machbar, die früher undenkbar war. Der entscheidende Vorteil im Vergleich zur herkömmlichen Laserbearbeitung mit kontinuierlichem Laserstrahl (CW-Laser) bzw. mit längeren Pulsen sind die ultrakurzen Pulse, die nahezu keine Wärme in das Material einbringen.

Dank der ‚kalten Ablation‘ kommt es zu einer direkten Verdampfung des Materials. Dabei wird keine signifikante Schmelz- oder Wärmeeinflusszone ausgeprägt. Die aus der Bearbeitung mit UKP-Laser resultierenden Bearbeitungsflächen sind absolut sauber, gratfrei und ohne Mikrorisse. Das ist für eine Vielzahl von Anwendungen entscheidend.

Die Technologie ist ideal geeignet, um sensible Materialien zu bearbeiten. Dazu gehören Diamant, Saphir, Glas, Keramiken, Polymere und auch Metalle, für die eine hochpräzise Bearbeitung erforderlich ist. Zu den Einsatzgebiete für UKP-Laser zählen unter anderem:

• Medizintechnik: Herstellung von Stents sowie Bearbeitung von Implantaten.
• Elektronikindustrie: Strukturierung von Leiterplatten und schneiden von Displays.
• Automobilindustrie: Fertigung hochpräziser Komponenten.

Dies sind kurz zusammengefasst die wichtigen Vorteile der Laserbearbeitung mit UKP:

• Präzision: Filigrane Strukturen im Mikrometerbereich sind möglich.
• Materialintegrität: Die schonende Bearbeitung dank ‚kalter Ablation‘ führt zu einer verbesserten Materialintegrität der bearbeiteten Bauteile.
• Nachbearbeitung: Dank gratfreier, präziser Schnitte ohne Mikrorisse lassen sich erforderliche Nachbearbeitungsschritte stark reduzieren oder sie können vollständig entfallen.
• Bearbeitung schwieriger Materialien: UKP-Laser ermöglichen die Bearbeitung von Materialien, die sich mit anderen Methoden nur sehr schwierig oder überhaupt nicht bearbeiten lassen würden.

Die Anschaffungskosten für ein UKP-Lasersystem sind in der Regel höher als für eine herkömmliche Laseranlage. Dank der erzielbaren Qualität und der erweiterten Bearbeitungsmöglichkeiten rechnet sich jedoch insbesondere bei Hochpräzisionsanwendungen die Investition in der Regel. Die laufende Weiterentwicklung der UKP-Lasertechnologie wird zu noch effizienteren und leistungsstärkeren Systemen führen, was einer stetigen Erweiterung der Möglichkeiten in der hochpräzisen und schonenden Materialbearbeitung den Weg ebnen wird.

UKP-Laser in der Medizin

Die UKP-Bearbeitung kommt in der Medizin für schonende und hochpräzise Aufgabenstellungen in der Zahnmedizin, der Augenheilkunde und der Dermatologie zur Verwendung. Dazu gehören unter anderem folgende Anwendungsfälle:

• Augenheilkunde: Gezielte Korrektur von Fehlsichtigkeit und die Behandlung des Grauen Stars (Katarakt) sind wichtige Anwendungen. Zudem kommt das Verfahren bei Ablation der Hornhaut zum Einsatz.
• Zahnmedizin: Behandlung von Zahnschmerzen auf Basis einer Lasertherapie. Gezielte Zertrümmerung von Zahnstein im Bereich der Mundhygiene.
• Dermatologie: Schonendes Entfernen von Tätowierungen durch Pulverisierung der Farbpartikel in der Haut. Behandlung von Hauterkrankungen wie beispielsweise Rosacea und Verletzungen.
• Auch im Bereich der inneren Medizin bzw. Chirurgie wird UKP-Bearbeitung eingesetzt:
• Zertrümmern von Steinen: Nieren-, Harn- oder Gallensteine lassen sich mit einem UKP-Laser schonend zertrümmern.
• Blutstillung: Kauterisierung mit UKP-Lasern dient zum Stillen von Blutungen. Dank der minimalen Wärmeeinbringung in das umliegende Gewebe nutzt man UKP-Laserbearbeitung auch für die präzise und selektive Zerstörung oder Entfernung von Gewebe, ohne die umliegenden Strukturen zu beschädigen.
• Skalpell: Einsatz als chirurgisches Werkzeug in Form eines Laser-Skalpells zum Führen präziser Gewebsschnitte.
• Hautkrebsbehandlung: Hautkrebszellen lassen sich mit UKP-Bearbeitung präzise zerstören bzw. entfernen. Einsatzgebiete sind Basaliome, Plattenepithelkarzinome und aktinische Keratosen. Die Behandlung mit UKP-Laser kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn eine operative Entfernung nicht erwünscht oder nicht möglich ist.