Aufbau und Charakterisierung eines Systems

zur Mikrobearbeitung mit Ultrakurzpulslaser

Diplomarbeit

von

Stefan Kéry

Fachhochschule München

Fakultät 06

Physikalische Technik

Studienrichtung Mikrosystemtechnik

Tag der Einreichung: 26. Juli 2007

München 2007

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Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit werden der Aufbau und die Charakterisierung eines La-

sersystems 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 sol , 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 M² 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 Wel engleichung 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 Kristal 42

6. Experimentelle Ergebnisse 43

6.1 Messung der Energiedichte 43

6.2 Messung der Beugungsmaßzahl M² 45

6.3 Messung der Laserpulslänge 47

7. Zusammenfassung 50

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1. Einleitung

Seit der ersten experimentel en 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 bear-

beiten 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 Solarzel en.

Mit herkömmlichen Methoden getrennte Solarzel en weisen durch lokale Kurz-

schlüsse Wirkungsgradverluste bis zu 30 % auf. Das neuartige Laserritzverfahren für

mono- und polykristalline Silicium-Wafer ermöglicht eine saubere und kostengünsti-

gere 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 Herstel ung

von Druckerdüsen oder Mikro-Filtern unverzichtbar geworden.

Auch im kommerziel en Bereich hat sich der Laser etabliert. Eine Laseranlage zum

Beschriften und Markieren von Oberflächen gehört heutzutage zur Standard-Aus-

rüstung wenn es darum geht, hohe Durchsatzraten zu erzielen.

Im Rahmen eines Projekts zur Strukturierung von Dünnschichtsolarzel en wurde ein

Laser Bearbeitungssystem aufgebaut, dass darüber hinaus auch für gängige Mikro-

bearbeitungen verwendet werden sol . 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 Realisie-

rung 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 Wel enlänge 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 Frequenzver-

dopplung durch einen nichtlinearen Kristal , die zur Gewinnung der Autokorrelations-

funktion 2. Ordnung erforderlich ist, zu verstehen, liegt ein Schwerpunkt in der Theo-

rie 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 - speziel der eingebaute nichtlineare Kristal und die

Auswertung der Messergebnisse - sind der Inhalt der folgenden zwei Abschnitte. Mit

einer Zusammenfassung beschließt Kapitel 7 die Arbeit.