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Einfluss der Pulswiederholfrequenz auf die Ablation von Dielektrika mittels ultrakurzer Laserpulse
(2023)
In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Fluenz, der Pulsanzahl und der Pulswiederholfrequenz bei der Strukturierung von Dielektrika mittels ultrakurzer Laserpulse untersucht. Es stand dabei ein Lasersystem mit einer emittierten Wellenlänge im Infrarot-Bereich und einer Pulsdauer von 200 fs zur Verfügung, um die Abhängigkeiten der Ablationsdurchmesser, der Ablationstiefe und des Ablationsvolumens von der Pulswiederholfrequenzen im kHz-, MHz- und GHz-Regime zu betrachten. Im Rahmen dieser Untersuchung wurde festgestellt, dass diese Größen, einschließlich der daraus ermittelten Ablationsschwellen und der Ablationsvolumina pro Laserpuls, von der Pulswiederholfrequenz abhängig sind. Dabei zeigte sich, dass die Ablationsschwellen mit steigender Pulsanzahl und zunehmender Pulswiederholfrequenz sinken. Zusätzlich konnten bei der Betrachtung der Ablationstiefen und -volumina im MHz- und GHZ-Regime Hinweise für Wechselwirkungen zwischen aufeinander folgenden Laserpulsen gefunden werden.
In dieser Arbeit wurde die Abtragseffizienz und -qualität von Edelstahl unter Verwendung ultrakurzer Laserpulse untersucht und diskutiert. Zur Durchführung der Versuche stand eine Pikosekunden-Laseranlage mit einer emittierenden Laserstrahlung im nahen Infra-rotbereich (NIR) zur Verfügung, womit Flächenabträge in Abhängigkeit von der Fluenz im Einzelpuls- sowie im Burst-Modus erzeugt wurden. Des Weiteren wurde der zeitliche Abstand zwischen den Pulsen und die Anzahl der Pulse innerhalb eines Pulszuges variiert.
In dieser Arbeit wird der Einfluss ultrakurzer Laserpulse auf die Dynamik thermodynamischer Zustandsgrößen in dünnen Gold- und Aluminiumschichten numerisch simuliert. Dazu wird zunächst ein Advektions-Diffusions-Modell in Euler-Koordinaten untersucht, welches eine Kopplung der hydrodynamischen Eulergleichungen mit einem Zwei-Temperatur-Modell darstellt. Anschließend wird ein äquivalentes Modell in Lagrange-Koordinaten entwickelt und die daraus berechneten Simulationen mit den Ergebnissen des Modells in Euler-Koordinaten verglichen. Um die thermodynamischen Materialeigenschaften von Aluminium und Gold zu modellieren, werden Zustandsgleichungen für beide Materialien entwickelt und in das Advektions-Diffusion-Modell integriert. Diese Zustandsgleichungen sind für die verschiedenen stabilen und metastabilen Aggregatzustände von Aluminium und Gold gültig.
Im Rahmen der Bachelorarbeit wurden Strukturierungsexperimente an verschiedenen Materialien mittels ultrakurzen Laserpulsen durchgeführt. Die untersuchten Materialien sind Stahl (Thyrodur 2990), Wolframcarbid, Quarzglas und PMMA. Die Versuche wurden mit der Laseranlage FS-150-10 durchgeführt. Ziel der Versuche war es Erkenntnisse über das Ablationsverhalten der untersuchten Materialien bei einer Pulsdauer von ca. 35 fs zu gewinnen. Diese Ergebnisse sollten mit denen für 150 fs verglichen werden um den Einfluss der Pulsdauer zu charakterisieren. Desweiteren sollten Einflussfaktoren, welche sich auf die Oberflächenrauheit auswirken untersucht werden. Dazu wurden Testfelder erzeugt und auf ihre Strukturtiefe und Oberflächenrauheit der strukturierten Bereiche untersucht.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem umfassenden Vergleich der Verwendung von kurz gepulster und kontinuierlicher Laserstrahlung im Mikro-SLM. Nach Charakterisierung der genutzten Bestrahlungsregime werden in Einzelspuruntersuchungen Unterschiede und deren Ursachen hinsichtlich der Schmelzspurbildung zwischen gepulster und kontinuierlicher Bestrahlung betrachtet und diskutiert. Der Bereich geeigneter Prozessparameter wird in Mehrspuruntersuchungen ergänzt. Des Weiteren wird der Einfluss verschiedener Bestrahlungsregime auf die Bauteileigenschaften von Volumenkörpern untersucht.
Die Zielstellung dieser Arbeit besteht darin, einen optischen Aufbau zu realisieren, welcher mit möglichst wenigen optischen Komponenten einen einzelnen UKP - Laserpuls in einen 2 - Puls bzw. 4 - Puls Burst (dargestellt in Abbildung 3.1) zerlegt und anfängliche Untersuchungen zum Abtragsverhalten unter Verwendung des Burstmodus durchzuführen. Der zeitliche Burstpulsabstand zwischen jedem dieser Burstpulse soll dabei maximal 2 ns für den 2 - Puls Burst und 1 ns für den 4 - Puls Burst betragen, stufenlos einstellbar und zwischen jedem Burstpuls in einem Burst gleich sein. Das Einstellen der
zeitlichen Burstpulsabstände wird für den 2 - Puls bzw. 4 - Puls Burst über unabhängig voneinander arbeitende Translationsachsen realisiert. Mithilfe dieses Aufbaus soll das Abtragsverhalten von UKP - Laserstrahlung eines Ti:Sa - Lasers mit einer Pulsdauer von ca. 150 fs und einer stufenlos regelbaren Pulsenergie von bis zu 1 mJ bei einer Repetitionsrate der Grundfrequenz von 1 kHz und einer mittleren Wellenlänge von 780nm auf Silizium (111) durch die Variation von der zeitlichen Einbringung der Energie untersucht werden.