Aufbau und Charakterisierung eines Systems zur Mikrobearbeitung mit Ultrakurzpulslaser

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Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit werden der Aufbau und die Charakterisierung eines Lasersystems für die Mikrobearbeitung beschrieben und durchgeführt. Insbesondere steht die Messung der Pulsdauer mit einem Autokorrelator, die im Rahmen der La-sertechnik-Vorlesung als Praktikumsversuch Anwendung finden soll, im Mittelpunkt. Um den Sachverhalt der Frequenzverdopplung, die für die Autokorrelationsfunktion von großer Bedeutung ist, besser zu verstehen, wurde ein Grossteil der Arbeit der Theorie der nichtlinearen Optik gewidmet.

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Inhaltsverzeichnis:

1.  Einleitung  7

2.  Lasersystem für die Mikrobearbeitung  9

2.1  Aufbau des Lasersystems  9

2.2  Erzeugung ultrakurzer Laserpulse  11

2.2.1  Modenkopplung  11

2.2.1.1  Passive Modenkopplung  13

2.2.1.2  Sättigbarer Absorberspiegel  13

2.3  Strahlengang im Laser  14

2.3.1  Optische Komponenten im Strahlengang  14

2.3.2  Verlauf der Laserstrahlung im Laser  17

2.4  Steuerung  19

3.  Charakterisierung von Laserstrahlen  23

3.1  Methode zur Messung des Strahldurchmessers  23

3.2  Bestimmung der Beugungsmaßzahl M  24

3.3  Fokussierung der Laserstrahlung  25

4.  Autokorrelator  28

4.1  Autokorrelation eines Signals  28

4.2  Optische Autokorrelation  29

4.3  Nichtlineare Optik  32

4.3.1  Wellengleichung der nichtlinearen Optik  32

4.3.2  Polarisation bei hohen Feldstärken  34

4.3.3  Die Suszeptibilität für Effekte 2 Ordnung  35

4.3.4  Phasenanpassung  37

4.3.5  Realisierung der Phasenanpassung  39

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5.  Aufbau des Autokorrelators  41

5.1  Optiken und Detektor  41

5.2  Nichtlinearer Kristall  42

6.  Experimentelle Ergebnisse  43

6.1  Messung der Energiedichte  43

6.2  Messung der Beugungsmaßzahl M  45

6.3  Messung der Laserpulslänge  47

7.  Zusammenfassung  50

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1. Einleitung

Seit der ersten experimentellen Realisierung eines Lasers im Jahr 1960 durch T.H. Maiman [1] ist das Gebiet der Laserphysik stark expandiert. Die Entdeckung und Weiterentwicklung unterschiedlichster Lasermaterialien führte zu einem weiten Anwendungsbereich, dass sich von Medizin [2] über Materialbearbeitung [3] bis hin zur Telekommunikation [4] erstreckt.

Im Bereich der Mikrobearbeitung hat sich der Laser als sehr nützliches Instrument erwiesen. Durch seine Flexibilität und seiner Fähigkeit nahezu jedes Material bearbeiten zu können, ist sein Einsatzgebiet scheinbar grenzenlos.

Aufgrund seiner Bearbeitung ist es möglich, die Effektivität von Bauteilen zu erhöhen. So erfahren Oberflächen nach einer Strukturierung mit dem Laser eine Verbesserung ihrer tribologischen Eigenschaft.

Ein Gebiet, in dem zunehmend geforscht wird, ist das Laserritzen von Solarzellen. Mit herkömmlichen Methoden getrennte Solarzellen weisen durch lokale Kurzschlüsse Wirkungsgradverluste bis zu 30 % auf. Das neuartige Laserritzverfahren für mono- und polykristalline Silicium-Wafer ermöglicht eine saubere und kostengünstigere Separierung.

Eines der ersten Anwendungen in der Mikrobearbeitung ist das Bohren von Löchern. Mit Durchmessern von weniger als 20 µm ist diese Applikation für die Herstellung von Druckerdüsen oder Mikro-Filtern unverzichtbar geworden.

Auch im kommerziellen Bereich hat sich der Laser etabliert. Eine Laseranlage zum Beschriften und Markieren von Oberflächen gehört heutzutage zur Standard-Ausrüstung wenn es darum geht, hohe Durchsatzraten zu erzielen.

Im Rahmen eines Projekts zur Strukturierung von Dünnschichtsolarzellen wurde ein Laser Bearbeitungssystem aufgebaut, dass darüber hinaus auch für gängige Mikrobearbeitungen verwendet werden soll. Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau und der Charakterisierung des eingebauten Lasersystems. Im ersten Teil der Arbeit wird auf die Erzeugung und Verstärkung von Laserpulsen des Lasers eingegangen, wobei das Prinzip der Modenkopplung und ihre Realisierung über einen sättigbaren Absorberspiegel genauer dargelegt werden. Um den Vorgang der Pulseinkopplung in den Verstärker besser zu verstehen, folgt eine detaillierte Beschreibung des Strahlenverlaufs im Laser. Die Ansteuerung und Einstellmöglichkeiten der Laseranlage beenden das Kapitel.

Die ausgehende Laserstrahlung ist nicht nur durch ihre Wellenlänge und deren Leistung charakterisiert. Ein wichtiger Wert, um die Qualität der Laserstrahlung zu beschreiben ist die Beugungsmaßzahl, auch als M² bezeichnet. Die Methode zur Durchführung und Auswertung der Strahlqualitätszahl sowie deren Einfluss auf die Fokussierung von Laserstrahlen wird im 3. Abschnitt diskutiert. Das Verfahren zur

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Änderung des Fokusdurchmessers und die Berechnung der daraus resultierenden Energiedichte folgen abschließend.

Der Mittelpunkt dieser Arbeit besteht in der Bestimmung der Laserpulslänge mit Hilfe eines dazu aufgebauten Autokorrelators. Um den Sachverhalt der Frequenzverdopplung durch einen nichtlinearen Kristall, die zur Gewinnung der Autokorrelationsfunktion 2. Ordnung erforderlich ist, zu verstehen, liegt ein Schwerpunkt in der Theorie der nichtlinearen Optik. Auf die, für effektive Frequenzverdopplung, wichtige Thematik der Phasenanpassung und deren Realisierung wird am Ende des Kapitels eingegangen.

Der Aufbau des Autokorrelators - speziell der eingebaute nichtlineare Kristall und die Auswertung der Messergebnisse - sind der Inhalt der folgenden zwei Abschnitte. Mit einer Zusammenfassung beschließt Kapitel 7 die Arbeit.

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2. Lasersystem für die Mikrobearbeitung

In der Materialbearbeitung mittels Laserpulsen hat die Pulsdauer einen entscheidenden Einfluss auf das Arbeitsergebnis [5]. Die Wechselwirkung eines Laserpulses mit der Materie kann in vier Schritten beschrieben werden. Trifft der Laser auf das Target so findet in diesem eine Deposition der Laserenergie statt. Anschließend durchläuft der getroffene Bereich einige sehr schnelle Phasenübergänge und geht schließlich in einen Plasmazustand über. In einem dritten Schritt findet die Trennung des getroffenen Bereiches vom Rest des Target statt; die Ablation. Im vierten, abschließenden Abschnitt dehnt sich die Plasmawolke in die Umgebung aus.

Die Deposisiton von Laserenergie in einem Target hängt stark von der Art des Materials ab insbesondere von ihrer Wärmeleitfähigkeit. Diese sagt aus, wie schnell die auftreffende Laserenergie an die Umgebung abgegeben wird und so ein Aufheizen der Gitterstruktur bewirkt.

Ist die Pulsdauer wesentlich kürzer als die „Heizzeit“ des Gitters, kann eine Wärmeleitung in die Umgebung vernachlässigt werden. Dies macht ein sehr präzises Arbeiten möglich, da die Effekte durch den Laserpuls strikt auf den getroffenen Bereich beschränkt bleiben.

Um im Mikrometer-Bereich saubere und reproduzierbare Resultate erzielen zukönnen, sind heutzutage Laser mit Pulsbreiten von Pikosekunden im Einsatz. Für diesen Aufbau wurde ein diodengepumpter Festkörperlaser der Firma High Q Laser integriert, da er sich durch große Stabilität und einfache Handhabung auszeichnet.

2.1 Aufbau des Lasersystems

Der Aufbau des Lasers besteht im Wesentlichen aus zwei Modulen. Dem Seed-Laser, in dem die Erzeugung der ultrakurzen Laserpulse erfolgt, und dem regenerativen Verstärker, der die Pulsenergie um ein Vielfaches verstärkt.

Der Seed-Laser

Im Seed-Laser befindet sich ein Nd:VAN-Kristall (Nd:YVO 4 ) als Lasermedium, der bei einer Wellenlänge von 1064 nm laseraktiv ist. Der Vorteil gegenüber den sonst weitverbreiteten YAG Kristallen besteht darin, dass sein Wirkungsquerschnitt σ, der die effektive Fläche angibt, mit der ein Atom die Photonen absorbiert, wesentlich effizienter ist. Durch seine extrem starke Doppelbrechung emittiert der Kristall nahezu ideal polarisiertes Licht [6], die für den Strahlenverlauf im Laser von großer Bedeutung ist.

Der Kristall wird von einer Laserdiode gepumpt, die ihre Leistung bei einer Wellenlänge von 808nm einstrahlt. Sie wird dabei mit einem Strom von 1A betrieben. Da die emittierte Wellenlänge der Pumpdiode sehr empfindlich auf Temperaturänderungen reagiert, ist eine stabile Kühlung unabdingbar für einen soliden Laserbetrieb. Ebenso muss die, durch die hohe Verlustleistung der Laserdiode entstandene Wärme effizient abtransportiert werden. Die Kühlwassertemperatur bei diesem System beträgt 19°C wobei eine Stabilität von ±0,1 °C realisiert wird.

Da sich die Laserdioden mit zunehmender Laufzeit deutlich abschwächen, wird der Kristall nicht mehr effektiv gepumpt, und die Laserleistung wird erheblich vermindert. Daher sind die Pumpdioden, sowohl für den Seed-Laser als auch für den regenerativen Verstärker, jeweils in einem URDM, einem user-replaceable diode module, untergebracht. Dies hat den Vorteil, dass der Kunde selbst das Modul austauschen kann, und somit die Service-Kosten niedrig gehalten werden.

Die Realisierung des ultrakurzen Pulses erfolgt durch einen sättigbaren Absorberspiegel. Auf diesen wird im folgenden Kapitel näher eingegangen.

Da im Pulsbetrieb ein einziger Pikosekundenpuls im Resonator hin- und herläuft, wird die Repetitionsrate f rep des Lasers durch die Resonatorlänge l bestimmt [7]:

f

Für den Anwender ist die Repetitionsrate ein wichtiger Faktor, da sich über diesen und der mittleren Ausgangsleistung P die Pulsenergie berechnen lässt [7]:

W

Eine Messung der ausgehenden Laserstrahlung ergab eine mittlere Leistung von 165 mW. Mit der Repetitionsrate des Seed-Lasers von 70 MHz wird somit eine Pulsenergie von 2,36 nJ erreicht.

Der regenerative Verstärker

Da die Energie für viele Applikationen nicht ausreichend ist, wird die Pulsenergie im regenerativen Verstärker [8] um ein vielfaches erhöht. Dabei läuft ein einzelner Puls mehrmals durch das Verstärkermedium, ebenfalls ein Nd:VAN-Kristall, und intensiviert sich bei jedem Durchgang. Die Pumpdiode, die ihre Leistung ebenfalls bei einer Wellenlänge von 808 nm in den Kristall einstrahlt, wird mit 22 A betrieben. Wenn keine Besetzungsinversion mehr vorliegt, erreicht der Puls eine Sättigung und wird mit Hilfe einer im Resonator befindlichen Pockelszelle über einen Dünnschicht-polarisator aus dem reg. Verstärker ausgekoppelt.

Bei einer eingestellten Repetitionsrate des Verstärkers von 20 kHz wird nur jeder 3500. Puls verstärkt, die anderen gehen verloren. Mit einer mittleren Ausgangsleistung von 1,8 W wurde eine Verstärkung der Pulsenergie von vier Größenordnungen erreicht, und beträgt nun 90 µJ.

2.2 Erzeugung ultrakurzer Laserpulse

Um den, für den Materialabtrag erforderlichen Dampfdruck zu erzielen, werden Strahlungsintensitäten von einigen 10 ⁶ bis 10 ⁸ W/cm ² benötigt. Im Pulsbetrieb lassen sich solche Werte sehr einfach erreichen.

Die einfachste Möglichkeit einen Laser im Pulsbetrieb zu benutzen besteht darin, die Anregungsleistung zu pulsen [7]. Zur Anregung dienen Blitzlampen, die kurzzeitig Leistungen von 10 ⁶ Watt liefern. Die Pulsdauer solcher Systeme liegt im µs-Bereich. Pulse mit einer Dauer von einigen ns lassen sich durch die Güteschaltung realisieren. Das Prinzip dieses Verfahrens liegt darin, im Laserkristall Anregungsenergie zu speichern und diese dann schlagartig in Form eines kurzen, intensiven Lichtimpulses zu nutzen [9]. Aktive Güteschaltungen werden meist durch akkustooptische oder elektrooptische Modulatoren realisiert. Eine häufig verwendete Modulationsart stellt die Pockelszelle in Verbindung mit einem Polarisator dar.

Weitaus kürzere Pulse, die bis in den Femtosekunden-Bereich reichen, werden mit der Technik der Modenkopplung erzeugt [10].

2.2.1 Modenkopplung

Die im Laserresonator anschwingenden longitudinalen Moden sind im freilaufenden Betrieb unabhängig voneinander. Ihre Phasenbeziehung unterliegt statistischen und zeitlichen Schwankungen, dessen Ausgangssignal einem Rauschen ähnelt. Über optische Modulatoren, die im Resonator eingebaut sind, ist es jedoch möglich, die konstruktive Überlagerung der Moden zu erzwingen. Werden die Phasendifferenzen der anschwingenden Moden so unterdrückt, dass die Feldstärkeamplituden sich bei jedem Resonatorumlauf an einem Ort konstruktiv überlagern, so werden sehr kurze Pulse mit hohen Intensitäten erzeugt. Eine mathematische Beschreibung verdeutlicht diese Tatsache.

Der zeitliche Verlauf der elektrischen Feldstärke einer stehenden Welle ergibt sich zu [11]:

r r

EEt πνϕ