3.5 Verwendete Lasersysteme
3.5.2 Am Fraunhofer ISE vorhandene Laserstrahlquellen
Die im Rahmen der Anlagenvorstellung erwähnten Laserstrahlquellen werden im Folgenden ebenfalls kurz individuell beschrieben. Dabei werden lediglich Besonderheiten erwähnt sowie ausgewählte, mit den in Kapitel 3.1.3 beschriebenen Messgeräte ermittelte Leistungsmesskurven dargestellt. Anschließend sind die wichtigsten Parameter gemeinsam mit den nicht am Fraunhofer ISE vorhandenen Laserstrahlquellen am Ende des nächsten Kapitels 3.5.3 in Tabelle 3-5 zusammengefasst.
Coherent AVIA-355 X
An dieser Laserstrahlquelle wurden die meisten der Ablationsexperimente durchgeführt, da sie sich aufgrund der kurzen Wellen- und Pulslänge besonders für Materialien mit geringer Absorption eignet. Der Laser bietet eine flexible Ansteuerbarkeit bezüglich der Emission der Laserpulse über zwei Modi. Beim kontinuierlichen Pulsen (Betriebszustand „ThermaTrack“) lässt sich der Laser mit einem Triggersignal an- und ausschalten und weist dabei eine deutliche Erstpulsüberhöhung auf. Eine Leistungsregelung kann in diesem Modus über den Diodenpumpstrom oder direkter über die Dauer des Triggerpulses erfolgen (siehe Abbildung 3-16). Das Problem der überhöhten Erstpulse kann an Lasern der AVIA-Baureihe durch die sogenannte „PulseEQ“ Betriebsart unterbunden werden. Dabei wird eine sogenannte Referenzpulsrate festgelegt, über welche die Pulsenergie nach Gleichung (3-2) definiert wird.
Die Abgabe der Pulse erfolgt jedoch nicht kontinuierlich, sondern lediglich auf Anforderung durch ein externes Triggersignal. Durch einen Rückkopplungsmechanismus der zur Positionierung verwendeten Linearachsen kann so eine abstandssynchronisierte Pulsabgabe erzielt werden. Die Pulsenergie wird dabei durch eine definierte Pumpdauer des Resonators vor Emission eines Pulses und damit einem gleichbleibenden Niveau der Besetzungsinversion konstant gehalten (siehe Abbildung 3-16).
PulseTrack / Festfrequenz
äquidistante Pulse Beschleunigungsphase
PulseEQ / Stepsynchron äquidistante Pulse
PulseTrack / Festfrequenz
äquidistante Pulse Beschleunigungsphase
PulseEQ / Stepsynchron äquidistante Pulse
Laserpuls Trigger Resonatorgüte PulseEQ
Laserpuls Trigger Resonatorgüte ThermaTrack
1/fP
Laserpuls Trigger Resonatorgüte PulseEQ
Laserpuls Trigger Resonatorgüte ThermaTrack
1/fP
Abbildung 3-16: Pulsemissionsmuster des Festfrequenz- und des Stepsynchronmodus (links). Die Bezeichnungen stammen von der Innolas-Anlage und beziehen sich auf die Lasermodi „ThermaTrack“ und „PulseEQ“. Rechts ist das Verhältnis von Triggersignal und Resonatorgüte zur Emission des Pulses zu sehen.
Die unterschiedlichen Betriebsmodi ergeben auch unterschiedliche Kurvenverläufe bei Parametervariationen. In Abbildung 3-17 sind darum für beide Modi die entsprechenden Messkurven dargestellt. Im Festfrequenzmodus (Abbildung 3-17 links) ist es vorteilhaft, den
Diodenpumpstrom konstant zu halten, damit sich die thermischen Randbedingungen im Resonator nicht zu stark verändern. Durch Variation der Triggerpulslänge kann dann die Pulsenergie variiert werden (siehe Abbildung 3-16 rechts). Das Plateau bei langen Triggerpulslängen und niedrigen Repetitionsraten bildet sich aufgrund einer softwaremäßigen Beschränkung der Maximalpulsenergie aus. Beim PulseEQ Modus (Abbildung 3-17 rechts) ist ebenfalls die Limitierung der maximalen Pulsenergie bei niedrigen externen Triggerfrequenzen zu erkennen. Die parallel zur x-Achse verlaufenden Messkurven zeigen deutlich, dass die Pulsenergien im spezifizierten Bereich konstant gehalten wird.
0 5 10 15 20 25 30 35
Triggerpulslänge τTP [µs]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Ext. Triggerfrequenz fext [kHz]
20 40
60 70
80 90
Pulsenergie Q [µJ]
Referenzpulsrate fRPR [kHz]
Abbildung 3-17: Über eine Messung der Durchschnittsleistung ermittelte Kurven für die Pulsenergie des AVIA-355 X, links in Abhängigkeit der Triggerpulslänge und Repetitionsrate im PulseTrack Modus und rechts in Abhängigkeit der Repetitionsrate und externen Triggerfrequenz beim PulseEQ Modus.
Baasel Starmark SMS15
Der Baasel Starmark SMS15 ist ein lampengepumpter Nd:YAG-Laser, welcher lediglich über die Repetitionsrate sowie den Pumplampenstrom variiert werden kann. Eine exemplarische Übersicht über die Durchschnittsleistung und Pulsdauer gibt Abbildung 3-18. Diese sind jedoch von den relativ schnell alternden Pumplampen abhängig.
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Durchschnittsleistung Pav [W]
Pumplampenstrom IPump [A]
QS-Frequenz f
Pulsdauer τP [ns]
Pumplampenstrom IPump [A]
QS-Frequenz fP
Abbildung 3-18: Beispielhafte Messkurven für den Baasel Starmark SMS15-Laser. Links ist die durchschnittliche Laserleistung zu sehen, rechts die Pulsdauer.
Aufgrund der Limitierungen bezüglich der Anlage sowie der Laserstrahlquelle selbst wurde der Baasel Starmark SMS15 im Rahmen dieser Arbeit lediglich zu einfachen Arbeiten wie Zuschnitten oder Markierungen verwendet.
Rofin Powerline 100 D
Beim am Fraunhofer ISE vorhandenen Modell handelt es sich um eine Sonderanfertigung des Rofin 100 D. Er verfügt über eine mechanische Umbaumöglichkeit innerhalb des Laserkopfes, durch deren Austausch die Wellenlänge von 1064 nm auf 532 nm frequenz-verdoppelt werden kann (siehe Kapitel 3.2.3). Weiterhin kann der Resonator direkt durch Änderung der Aperturen im Strahlengang (sogenannte Modenblenden) beeinflusst werden.
28 30 32 34 36 38 40
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
1064 nm Durchschnittsleistung Pav [W]
Pumpdiodenstrom IPump [A]
QS-Frequenz f
P [kHz]
1 5
10 15
20 25
30 40
28 30 32 34 36 38 40
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
532 nm
QS-Frequenz f
P [kHz]
5 10
15 20
25 30
Durchschnittsleistung Pav [W]
Pumpdiodenstrom IPump [A]
Abbildung 3-19: Durchschnittsleistung des Rofin 100 D in der Grundwellenlänge (links) bzw. frequenzverdoppelt (rechts).
Der Laser kann in verschiedenen Modi betrieben werden. Hauptsächlich läuft er kontinuierlich pulsend, kann aber auch im sogenannten Burstmodus betrieben werden.
Dabei wird bei jedem Triggersignal jeweils nur eine definierte Pulsanzahl emittiert. Bei beiden Modi spielt die Entstehung von Erstpulsen eine große Rolle, welche trotz vielfältiger Möglichkeiten zur Unterdrückung vor allem an den Anfahr- und Abbremsrampen nicht zu einem vollständig homogenen Bearbeitungsergebnis führen.
Trumpf TruMicro 3140
Der TruMicro 3140 ist ein Nd:YVO4 Laser mit sehr hoch spezifizierten Leistungsstabilität.
Durch die internen Regelkreisläufe lassen sich an der Laseranlage kontinuierlich die internen Leistungsmessdaten des Laserkopfes abfragen und somit enge Grenzen für erlaubte Abweichungen spezifizieren. Diese Stabilität wird vor allem durch die sehr gleichmäßig verlaufende Leistungskurven in Abbildung 3-20 deutlich. Auch hier kann die relativ deutliche Erstpulsüberhöhung durch die integrierten Unterdrückungsmechanismen trotz vielfältiger Einstellmöglichkeiten nicht vollständig eliminiert werden, was vor allem für den Einsatz beim Beschriften von Nachteil ist.
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Pulsenergie Q [mJ]
Diodenpumpstrom IPump [%]
Repetitionsrate fP 20 kHz 40 kHz 80 kHz 120 kHz 160 kHz 200 kHz
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Pulsenergie Q [mJ]
Repetitionsrate fP [kHz]
Diodenpumpstrom I 100 % Pump
90 % 75 % 60 % 50 % 25 % 10 %
Abbildung 3-20: Pulsenergie des TruMicro 3140 in Anhängigkeit vom Pumpdiodenstrom (links) sowie von der Repetitionsrate (rechts).
Rofin Star-Disc 100 ICQ
Der Rofin Star-Disc 100 ICQ dient vor allem dem schnellen Bohren von Via-Löchern (siehe Kapitel 5.4) sowie der Optimierung des LFC-Prozesses (siehe Kapitel 7.2). Seine Besonderheit sind die deutlich längeren Pulse (im niedrigen Mikrosekundenbereich) und die hohe Strahlqualität. Aufgrund des besonderen Materials des aktiven Mediums (Yb:YAG) emittiert dieser Laser bei 1030 nm Wellenlänge. Durch das verwendete Laserkonzept kann allerdings lediglich auf die Frequenz und den Pumpdiodenstrom Einfluss genommen werden.
Darüber hinaus ist der verwendbare Frequenzbereich relativ stark eingeschränkt, was die Variationsmöglichkeit für den Pulsabstand bei „on-the-Fly“-Prozessen25 aufgrund der maximalen Scannergeschwindigkeit von < 15 m / s reduziert. Um eine Überlastung und damit Schädigung der Scheibe bei den ersten Pulsen zu vermeiden, besteht bei diesem Laser ein inverses Problem mit der Erstpulsunterdrückung. Die Erstpulse sind zu Beginn des Laserbetriebs standardmäßig so stark abgeschwächt, dass die ersten Pulse deutlich niedrigere Pulsenergien aufweisen als im Regelbetrieb. Somit sind zu Beginn der Linie die ersten ca. 10 – 15 Pulse unbrauchbar.
In Abbildung 3-21 sind die im Rahmen der Charakterisierung der Laserstrahlquelle aufgenommenen Durchschnittsleistung (links) sowie die Pulslänge (rechts) dargestellt. Die Durchschnittsleistung ist dabei am Bearbeitungsort gemessen, was Reflektionen an insgesamt acht Spiegeln beinhaltet.
25 Um großflächig Punktmuster in möglichst kurzer Zeit aufzubringen, verfährt man möglichst so schnell, daß der in der Zeit zwischen zwei Pulsen zurückgelegte Weg größer als der Pulsdurchmesser ist, diese damit also separiert werden. Alternativ dazu kann man auch den „Step“-Modus verwenden, bei welchem jede Position einzeln angefahren wird.
24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 0
10 20 30 40 50
Durchschnittsleistung P av [W]
Diodenpumpstrom IPump [A]
Repetitionsrate f 15 kHz p
17.5 kHz 20 kHz 22.5 kHz 25 kHz 27.5 kHz 30 kHz
24 26 28 30 32 34 36 38 40 42
2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 3.75
4.00 Repetitionsrate f
15 kHz p
17.5 kHz 20 kHz 22.5 kHz 25 kHz 27.5 kHz 30 kHz
Pulsdauer τP [µs]
Diodenpumpstrom IPump [A]
Abbildung 3-21: Durchschnittsleistung (links) und Pulslänge (rechts) des Rofin Star-Disc 100 ICQ in Abhängigkeit vom Diodenpumpstrom und der Repetitionsrate.
Lumera SuperRapid
Mit dem Lumera SuperRapid steht ein industriell einsetzbarer Picosekundenlaser am Fraunhofer ISE zur Verfügung. Er verfügt über eine softwaremäßige Umschaltmöglichkeit für die Wellenlänge, womit der Strahlengang entweder direkt austritt oder zuvor einen SHG bzw.
SHG und THG passiert. Somit sind alle drei Wellenlängen an unterschiedlichen Strahlausgängen abrufbar. Da die Laserstrahlquelle im Rahmen dieser Arbeit jedoch nicht verwendet wurde, ist sie lediglich zur Vollständigkeit erwähnt und wird nicht ausführlicher erläutert.