621.366 Laser, Lasertechnologie
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In der vorliegenden Arbeit soll mittels Laserablation eine funktionale Mikrostruktur in die Oberfläche von Edelstahl und speziellen Wolframcarbid-Hartmetall-Klemmwerkzeugen zur Erhöhung der Haltekraft eingebracht werden. Damit ein präziser und schneller Materialabtrag realisiert werden kann, wird für die Umsetzung der Arbeitsaufgabe ultrakurzgepulste Laserstrahlung in Verbindung mit hochdynamischer Strahlablenkung verwendet.
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 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.
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.
Im Rahmen dieser Masterarbeit werden umfangreiche Untersuchungen zur Oberflächentexturierung von Kupfer und Aluminium mittels ultrakurz gepulster Laserstrahlung durchgeführt. Auf Basis einer breiten Variation der Laser- und Prozessparameter wird eine detaillierte Analyse und Klassifizierung der realisierbaren Oberflächen-Mikro- und Nanostrukturen durchgeführt. Neben den bekannten Kennwerten der Oberflächenrauheit werden die Oberflächentexturen auf Basis der gemessenen 3D-Höhenprofile durch die fraktalen Kennzahlen Lakunarität und fraktale Dimension charakterisiert. Eine Klassifizierung in unterschiedliche Oberflächentexturkategorien erfolgt sowohl durch manuelle Klassifizierung als auch durch einen automatisierten Klassifizierungsansatz mittels Anwendung des k-Means-Clustering-Algorithmus. Der Einfluss verschiedener Laser- und Prozessparameter auf die Ausbildung der beobachteten Oberflächentexturen wird ausführlich diskutiert. Verschiedene physikalische Zusammenhänge und Entstehungsmechanismen bei der Ausbildung unterschiedlicher Mikro- und Nano-Oberflächenstrukturen werden aufgezeigt und tragen zu einem erweiterten Verständnis der komplexen Wechselwirkungsprozesse zwischen Laserstrahlung und Material bei. Durch die Verwendung von Galvanometer- und Polygonscansystemen zur Hochgeschwindigkeits-Strahlablenkung in Kombination mit einer hochrepetierenden Laserstrahlquelle ist bei vielen Oberflächentexturen eine Skalierung der Flächenrate in den Bereich mehrerer 100 cm²/min möglich, wodurch das Verfahren der Hochrate-Laseroberflächentexturierung zunehmend an Bedeutung bei der industriellen Realisierung großflächig funktionalisierter Oberflächen gewinnt.
Die Masterarbeit behandelt die Laserbearbeitung von 1.4301 Edelstahl unter einer Wasserschicht mit ultrakurzen und ns-Pulsen im NIR. Die Ergebnisse werden in Bezug auf Abtrageffizienz und Qualität mit denen an Normalatmosphäre erreichten Ergebnissen verglichen. Weiterhin enthält die Arbeit ergänzende Untersuchungen, beispielsweise über das Transmissionsverhalten der Laserstrahlung, die Blasenbildung oder den Fokusshift in Wasseratmosphäre zur Erweiterung des Prozessverständnisses über das Laserabtragen in Wasser.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen zur Verifizierung der Laserquellen zum Abtrag von parasitären Schichten. Die Proben waren die mit Inkjet-Technik gedruckte Silberleitbahnen auf PEN-Substrat. Die Untersuchungen wurden mit cw-Laseranlage und ns-Pulslaseranlage mit der Wellenlänge von 1064 nm unter Variierung von Laserparametern durchgeführt und die Ergebnisse wurden und in Kategorien eingeteilt und diskutiert.
Das Ziel der Arbeit besteht in der Untersuchung eines laserbasierten Verfahrens zur ablativen 3D – Mikrostrukturierung unter Verwendung von gepulster Laserstrahlung. Die laterale Strukturabmessung des generierten Abtrages soll wenige Mikrometer betragen. Eine weitere Bedingung ist, dass plane Flächen mit Seitenausdehnungen von mehreren Millimetern bearbeitet werden können (dargestellt in Abbildung 1). Ein zusätzliches Ziel besteht in einer hohen Flexibilität, sodass innerhalb kürzester Zeit von einer Struktur auf eine Andere umgestellt werden kann. Dies soll ohne einen direkten Eingriff in die Anlage bzw. den Aufbau erfolgen, sowie nach jedem Puls des Lasers (insofern erforderlich) möglich sein. Die thermische Belastung des Werkstücks ist dabei so gering wie möglich zu halten.
Eine vorhandene UKP – Laseranlage soll durch optische und elektronische Komponenten so ergänzt werden, dass eine abtragende Strukturierung möglich wird, wobei die Anzahl der verwendeten optischen Bauelemente auf einem Minimum gehalten werden soll.
Im Anschluss soll mit diesem Aufbau die Mikrostrukturierung von verschiedenen Festkörpermaterialien unter Verwendung unterschiedlicher Prozessparamter durchgeführt werden, um die Möglichkeiten des Aufbaus, sowie des Verfahrens genauer zu untersuchen.
In dieser Arbeit wird die Herstellung definiert geneigter Spiegelflächen für mikrooptische Anwendungen mittels Fluorlasermikrostrukturierung im Maskenprojektionsverfahren vor-gestellt. Im Rahmen dessen wurde die zuvor entwickelte Bewegungseinrichtung, die eine Verschiebung der Masken in Nanometerbereich ermöglicht, optimiert. Durch Variation dieser Maskenverschiebung zwischen zwei Abträgen sowie der Laserpulsfluenz kann der Neigungswinkel der Spiegelfläche frei eingestellt werden. Bedingt durch die Intensitäts-verteilung im Laserstrahl ergibt sich eine Ebenheitsabweichung der Struktur, für die ein Korrekturalgorithmus vorgestellt wird. Abhängig vom Soll-Neigungswinkel weisen die Spiegelflächen eine Winkelabweichung von ±0,5° und eine Oberflächenrauheit im Bereich weniger Nanometer auf.
Die Bachelorarbeit befasst sich primär mit dem Abtragverhalten verschiedener CFK und GFK Materialien unter Laserbestrahlung mit UV Nanosekunden und IR Pikosekunden Pulsen. Dafür werden die erzeugten Abträge qualitativ beschrieben und Abtragtiefen sowie Oberflächenrauheiten bestimmt. Die Ergebnisse der beiden Regime werden verglichen. Weiterhin wird das laserbasierte Schneiden und Aufrauen der Oberfläche unter Nutzung von UV Nanosekunden Laserpulsen betrachtet.
Die Möglichkeiten zur Charakterisierung von laserstrukturierten Oberflächen werden diskutiert. Es werden die Topographie, das Gefüge, die chemische
Zusammensetzung sowie die Korrosionsbeständigkeit vor und nach der Bearbeitung untersucht. Es wird ein Vorgehen zum Versuchsplanung und Auswertung mit Hilfe der Methoden des Design of Experiments vorgestellt. Die statistische Auswertung zeigt keine Effekte des Werkstoffs, der Pulsdauer von 1 MHz bis 20 MHz oder der Pulsfrequenz von 400 fs bis 10 ps auf die resultierenden Strukturen. Der Prozess ist damit in einem weiten Parameterfenster skalierbar. Der Effekt der Oberflächenbeschaffenheit kann statistisch nicht erfasst werden.
Untersuchung der Strukturauflösung beim Lasermikrosintern unter Variation der Pulverkorngröße
(2018)
In dieser Arbeit wird die Verkleinerung von Strukturen auf eine Zielgröße von 15 µm beim Mikrosintern untersucht. Es erfolgt ein Vergleich der Skalierbarkeit der Strukturen durch Verkleinerung des Fokusradius von 11,6 µm auf 7,3 µm. Untersucht wird die Prozesseignung von Edelstahlpulver 316L D80 < 5 µm im Vergleich zu D90 < 10 µm. Die Beurteiung erfolgt durch Vergleich an in bisherigen Untersuchungen festgestellten und aus theoretischen Betrachtungen erwarteten Eigenschaften und den in dieser Versuchsreihe erzielten Ergebnissen. Die 10 µm – 16 µm breiten Strukturen werden auf ihre Oberflächenbeschaffenheit und mit Metallografie der Gefügeaufbau untersucht. Mittels Varianzanalyse (ANOVA) wird der Einfluss der Bearbeitungsstrategien auf signifikante Eigenschaftsänderungen der Strukturen untersucht.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Prozessanalyse des Hochrate-cw-Laserprofilierens. Dabei wurde der Prozess des Erzeugens von Ribletstrukturen durch ultraschnelle Strahlablenkung, Polygonscanner mit Geschwindigkeiten bis zu v = 580 m=s in Verbindung mit einer Hochleistungslaserquelle,
Ytterbium-Glas Faserlaser mit einer Ausgangsleistung von Pmax = 3000 W und einer Beugungsmaßzahl M2 = 1; 2, realisiert.
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.
Untersuchungen von Laserphotonen-Wechselwirkung bei der Bestrahlung von Hybrid-Polymer-Materialien
(2017)
Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit den Untersuchungen zum Laserabtragen von Perowskit (CH3NH3PbI3) mittels verschiedenen Lasersystemen. Durch eine Methode von zweistufiger Rotationsbeschichtung werden die Perowskit-Dünnschichten hergestellt. Dazu werden die Einflüsse von Rotationsgeschwindigkeit und Trockentemperatur auf die Dichte der Dünnschicht erläutert. Die optischen Eigenschaften von Perowskit, wie z.B. Reflexionsgrad, Extinktion, Absorptionskoeffizient, Absorptionsgrad werden mittels UV-VIS-Spektrophotometer charakterisiert. Die Perowskit-Dünnschichten der Firma EM-PA werden von der Schicht- und Substratseite durch einen Einzelpuls mit verschiedenen Wellenlängen und Pulsdauern abgetragen. Anschließend werden die Ablations- Delaminations- und Modifikationsschwellfluenzen von Perowskit für unterschiedliche Laserablationsverfahren sowie Laserwellenlänge und Pulsdauer mittels Liu-Kurve-Methode bestimmt.
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 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.
Der Inhalt dieser Arbeit befasst sich mit der schnellen Schaltung von hochenergetischer infraroter Laserstrahlung mittels eines oder mehrerer akustooptischer Modulatoren. Es wird das Schaltverhalten und die Beugungseffizienz bei verschiedenen Parametern untersucht. Das Ziel ist es eine hohe Beugungseffizienz und geringe Schaltzeit bei zufällig polarisierter Laserstrahlung zu erreichen. Zudem werden die Veränderungen des Strahlprofils durch die Modulatoren analysiert und Untersuchungen mit einer Thermokamera durchgeführt
Untersuchung der Ablationsdynamik dünner Metallschichten durch ultrakurz gepulste Laserstrahlung
(2017)
In dieser Arbeit wird die Absorption von ultrakurz gepulster Laserstrahlung in Goldschichten und deren anschließende Wärmeausbreitung im Material untersucht. Dazu werden Simulationen mit COMSOL Multiphysics basierend auf dem Zwei-Temperatur-Modell durchgeführt, wobei die Modelle der mittleren Stoßzeit der Elektronen, die Wärmekapazität der Elektronen, die Wärmeleitfähigkeit der Elektronen sowie Ansätze zur Temperaturabhängigkeit der dielektrische Funktion verschiedener Autoren untereinander verglichen werden. Zum Vergleich der simulierten mit den experimentellen Ergebnissen wurde ein Pump-Probe Aufbau realisiert, welcher die Messung der zeitlichen Änderung des Reflexionsgrades durch ultrakurz gepulste Laserstrahlung ermöglicht.
This thesis investigated the generation of laser induced periodic surface structures (LIPSS) using femtosecond laser irradiation at a central wavelength of 775 nm.
The metals stainless steel and copper as well as a semiconducting thin film, ITO on glass substrate were investigated. The impact of the processing parameters was studied for single and multiple pulse irradiation to determine the ablation threshold of the materials
and the different types of LIPSS. These observations allowed the optimisation of area structuring with regards to processing speed and LIPSS quality.
The feasibility of the LIPSS generation in dynamic, real time polarisation control was then explored. By using a fast response, liquid-crystal polarisation rotation device, the direction of the linear polarisation of the laser beam could be dynamically controlled and synchronised to the scanning during laser processing. As a result, a range of complex micro- and nano-scale patterns with orthogonal direction of LIPSS were created. The samples were analysed using optical and electron microscopy. The orientation of the LIPSS was determined also from detection of light diffracted by the LIPSS.
Finally, two applications of large area LIPSS patterning were demonstrated, information encoding on metals and periodic structuring of a thin film conducting oxide for solar cells.
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.
Das Thema der vorliegenden Masterarbeit ist die Herstellung von Fresnel-Zylinderlinsen mittels Fluorlasermikrostrukturierung im Maskenprojektionsverfahren. Anhand einer, nach den theoretischen Grundlagen berechneten, Fresnel-Linse erfolgt die Berechnung von Maskengeometrien auf Basis zweier unterschiedlicher Methoden.
Des Weiteren werden Möglichkeiten zur Optimierung der Maskengeometrie vorgestellt, mit denen die Funktion der Masken verbessert werden kann. Durch die Korrektur ist die Herstellung von Fresnel-Zylinderlinsen mit definiertem Krümmungsradius möglich.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Erstellung und Erprobung eines Konzeptes zur
Verbesserung der Spaltüberbrückbarkeit an schwankenden Spaltbreiten von
laserstrahlgeschweißten Magnesiumfeinblechen. Dazu soll überprüft werden,
inwieweit sich die Änderung verschiedener Prozessparameter auf die Spaltüberbrückbarkeit auswirken. Ebenso gilt es, mögliche Algorithmen für eine spätere
Prozessautomatisierung herauszufinden.