Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Pulsfrontverformung für die Lasermaterialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Loosen
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 244610156

In unterschiedlichsten Anwendungsgebieten hat sich im Laufe der letzten Jahre der Einsatz ultrakurzer Laserpulse etabliert, um verschiedenste Werkstoffe mit hoher Präzision zu bearbeiten. Durch die Reduzierung der Pulsdauer lässt sich bei gleichbleibender mittlerer Leistung eine höhere Leistungsdichte erzielen, die die Anregung nichtlinearer Prozesse und somit eine effiziente Absorption der Laserstrahlung ermöglicht.In Kombination mit Scansystemen lassen sich großflächige Werkstücke mit hohen Prozessgeschwindigkeiten bearbeiten, da sich hohe Vorschubgeschwindigkeiten und Beschleunigungen des fokussierten Laserstrahls gegenüber dem Werkstück realisieren lassen.Bei der Propagation von ultrakurzen Pulsen durch dispersive optische Elemente tritt, aufgrund des Unterschieds zwischen Gruppen- und Phasengeschwindigkeit, eine Verzögerung (Propagation Time Difference bzw. PTD) zwischen Puls- und Phasenfront auf. Propagiert z. B. ein Puls achsparallel durch eine Positivlinse, tritt die größte Verzögerung entlang der optischen Achse auf, während die Verzögerungen entlang der Randstrahlen aufgrund geringerer Glasdicke minimal werden. Im Fokus führt dieser Effekt zu einer effektiv höheren Pulsdauer. In der Literatur werden Verfahren diskutiert, die eine Kompensation des Effektes für Systeme mit achsparallelem Lichteinfall ermöglichen.Sowohl die simulativen als auch die experimentellen Vorarbeiten zeigen, dass die PTD stark von dem Feldwinkel abhängt und bei Objektiven für Laserscanner zu scanwinkelabhängigen Pulsdeformationen und Pulsdauern führt. Ersten Simulationen lässt sich entnehmen, dass für vergleichsweise kleine Scanwinkel von 6° bei konventionellen Scanneroptiken bereits Pulsausdehnungen in der Größenordnung von 100 fs auftreten. Bei sensitiven Prozessen, wie z. B. der Bearbeitung von transparenten Dielektrika mit Pulsdauern im Bereich von 500 fs, sind durch die Variation von Pulsform und -dauer scanwinkelabhängige Bearbeitungsergebnisse zu erwarten.Ziel ist die Entwicklung neuer Konzepte und Methoden im Optikdesign, um Fokussieroptiken für Laserscanner mit homogenen Pulseigenschaften im gesamten Scanbereich auszulegen.Das geplante Arbeitsprogramm gliedert sich in die Bereiche Modellierung/Simulation, Konzepte/Designmethoden und experimentelle Validierung. Zu den Arbeiten im Bereich Modellierung/Simulation gehört die Untersuchung unterschiedlicher Strahlen- und Wellenoptischer Verfahren auf ihre Gültigkeit im Hinblick auf die Beschreibung von Pulsdeformationen hinter Fokussieroptiken. Gleichzeitig soll ein Messverfahren aufgebaut werden, um die Pulsfront für unterschiedliche Feldwinkel an Scanner-Objektiven messen und mit den Ergebnissen der Simulation vergleichen zu können. Darauf Aufbauend werden unterschiedliche Designmethoden verfolgt und mit geeigneten Verfahren aus der Simulation verknüpft. Abschließend ist die experimentelle Validierung beispielhaft ausgelegter Objektive u. a. durch Versuche in der Bearbeitung von Glasproben geplant.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen