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Die folgende Arbeit befasst sich mit der Strukturierung von Stahl mit ultrakurzen Laserpulsen im Burstmodus. Dabei wird untersucht inwiefern sich die Bearbeitungsparameter Fluenz, Pulsdauer und Laserpulse pro Burst hinsichtlich der erreichbaren Abtrageffizienz, Oberflächenrauheit und dem abgetragenen Materialvolumen auswirken.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Vermessung räumlich lateraler Unterschiede der Dispersion räumlich ausgedehnter ultrakurzer Laserpulse. Die Zielstellung ist etwaige Unterschiede zu charakterisieren. Hierfür wir die Methode der fouriertransformierten spektralen Interferometrie evaluiert, angepasst und experimentell angewendet. Anhand von gemessenen Versuchsaufbauten wird gezeigt, dass die Methodik sinnvoll auf die Problemstellung angewendet werden kann.
Um die Vorteile eines hochrepetierenden Ultrakurzpulslasers zur Strukturierung von dünnen Metallschichten nutzten zu können, sind Kenntnisse über den Einfluss der verschiedenen Parameter notwendig. Deshalb wurden der Einfluss des Pulsabstands, der Frequenz und des Linienabstands, auf das Ablationsverhalten von dünnen Metallschichten untersucht. Es wurden die Schichtmaterialien Chrom, Aluminium, Kupfer und Titan aus-gewählt, deren Schichtdicken sich in einem Bereich von 0,02 μm bis 0,5 μm bewegen. Die Untersuchungen der Einflussnahme des Pulsabstandes wurden bei einer Frequenz von 32 kHz durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Spurbreite bei kleiner werdendem Pulsabstand, bei fast allen Schichtmaterialien vergrößerte. Belegt wurde dabei, dass bei dieser Frequenz nicht bei allen Schichten ein sauberer Abtrag, bis auf das Substrat, realisiert werden konnte. Dazu wurde als nächstes die Frequenz variiert. Es konnte festgestellt werden, dass bei Erhöhung der Frequenz, die Spurbreite nur bei Aluminium und Kupfer, merklich zunahm. Dabei zeigte sich, dass bei Chrom, mit höheren Frequenzen als 200 kHz, sich Risse im Substrat bilden. Anschließend wurden mit geeigneten Pa-rametern die Auswirkungen des Linienabstandes untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass der Abstand zwischen zwei Linien sich nicht auf die Breite der Einzellinie auswirkt. Die Flächenabtragsrate war bei Titan am größten, was auf die sehr geringe Schichtdicke und der geringen Wärmeleitung von Titan zurückzuführen ist.
Ultrakurzpuls-Laser haben sich in den vergangenen Jahren weit verbreitet, um hochpräzise Mikrostrukturen direkt in nahezu jedem Material zu realisieren. Trotz der derzeitigen Verfügbarkeit von UKP-Hochleistungslasern (bis zu mehreren hundert Watt) ist es immer noch eine Herausforderung, große Flächen, wie sie für Prägezylinder für Rolle-zu-Rolle Anwendungen benötigt werden, in einer für die industrielle Produktion akzeptablen Bearbeitungszeit zu strukturieren. In diesem Beitrag wurde ein hochkompakter ps-Laser mit Repetitionsraten von bis zu 8 MHz und einer mittleren Leistung von 500 W durch ein diffraktives optisches Element (DOE) auf 16 parallele Strahlen verteilt. Die Leistung wurde durch einen akusto-optischen Modulator pro Strahl moduliert.
Integriert in ein ultrahochpräzises Zylindergravursystem wurden die 16 Spots mit einer Genauigkeit von < 1 μm synchronisiert. Auf der Zylinderoberfläche wurden in einem Spot-zu-Spot Abstand von 20 μm Einzelspotdurchmesser von 13 μm erreicht. Verschiedene funktionale Mikrostrukturen wurden als Master realisiert.
In Zusammenarbeit mit dem Laserinstitut Hochschule Mittweida und gefördert im InnoTeam Programm der Sächsischen Aufbaubank wurde der Einfluss der Pulsdauer und des Burstmodus auf die Effizienz und Oberflächenqualität bei der Gravur von Werkzeugmaterialien mittels ultrakurzer Laserpulse erforscht und optimale Bearbeitungsregime gefunden. Die Kombination geeigneter Gravur- und Glättungsparameter sowie die Verwendung des Burstmodus im optimalen Fluenzbereich ermöglicht einen hochproduktiven Materialabtrag bei minimaler Anlagerung von Debris und minimaler Rauheit des Gravurbodens. Ebenfalls wurden Untersuchungen zu den bei der Ultrakurzpulslaserbearbeitung emittierten Röntgenstrahlung durchgeführt. Daraus resultiert eine gesteigerte Verantwortung für die Betreiber von Laseranlagen mit Ultrakurzpulslaser und den
Lasermaschinenbau.
Das Ziel der vorliegenden Abschlussarbeit ist die Untersuchung der Absorptionsmechanismen ultrakurz gepulster Laserstrahlung auf organischen Materialien, am Beispiel eines PMMA-Dielektrikums. Zu dessen Nachweis muss ein Pump-Probe-Aufbau so erweitert werden, dass in Kombination mit einem abstimmbaren Laser zeitlich, räumlich und spektral aufgelöste Reflektometrie sowie Ellipsometrie realisierbar ist. Dabei soll zum einen der Einfluss linearer (direkte Elektronenionisation und molekulare Resonanzanregung) als auch nichtlinearer Prozesse (Tunnel- und Multiphotonenionisation) nachgewiesen werden. Durch die Ergebnisse wird schließlich eine Realisierbarkeit Resonant-Infraroter Modifikation bzw. Ablation an organischen Materialien, durch ultrakurz gepulste Laserstrahlung im mid-IR-Spektrum, überprüft.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem selektiven rückseitigen Abtrag von dünnen Aluminiumschichten (10 – 50 nm) auf Quarzglas mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung der Wellenlänge von 1028 nm und Pulsdauern von 0,2 – 10 ps. Die Einflüsse von Prozess- und Probenparametern auf die Abtragsschwellen und Inkubationskoeffizienten werden bestimmt. Ebenso wird ein Vergleich von Schwellfluenz und Inkubationskoeffizienten zwischen vorder- und rückseitigem
Abtrag gegeben. Hierfür werden die Werte des vorderseitigen Abtrag aus vorhergehenden Untersuchungen verwendet. Neben experimentellen Untersuchungen werden Berechnungen zur Bestimmung der theoretischen Schwellfluenzen durchgeführt. Mithilfe dieser Untersuchungen soll die Qualität der Strukturierung von Aluminiumschichten verbessert werden.