Untersuchung der Genauigkeit bei der Mikrolaserablation

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungen

1 Einleitung
1.1 Motivation und Zielsetzung
1.2 Aufbau der Arbeit

2 Grundlagen
2.1 Ursprung des Lasers
2.2 Elektromagnetische Wellen
2.3 Atome und Strahlung
2.4 Entstehung von Laserstrahlen
2.5 Fokussierung des Laserstrahls

3 Stand der Technik
3.1 Einordnung der Laser
3.1.1 Lasertypen nach Signalform
3.1.2 Lasermedien
3.2 Strahlführung und -formung
3.2.1 Strahlführung
3.2.2 Strahlformung
3.3 Anwendungen
3.3.1 Laserablation
3.3.2 Weitere Anwendungen
3.4 Ultrakurzpulstechnik

4 Eigener Ansatz
4.1 Untersuchte Einflussgrößen
4.2 Versuchsplanung
4.3 Aufbau der Versuchsanlage
4.3.1 Laseranlage
4.3.2 Mikroskopanlage

5 Ergebnisse
5.1 Temperatureinflüsse
5.2 Beschleunigung
5.3 Vorschub
5.4 Einstrahlwinkel
5.5 Zufallsschwankungen und Aussetzer

6 Bewertung

7 Zusammenfassung und Ausblick
7.1 Zusammenfassung
7.2 Ausblick

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

Anhang

Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Motivation und Zielsetzung

Der Laser findet in immer mehr Wissenschaften Anwendung. Zum Messen im Verkehrswesen, in der Medizin für Augenkorrekturen und Epilationen, in Computern zum Lesen von DVDs, für dekorative Zwecke in Discotheken und nicht zuletzt auch in der Fertigungstechnik. Dort wird er inzwischen in allen sechs Hauptgruppen eingesetzt, also beim Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaften verändern. Während Ansprüche an Form- und Passgenauigkeit immer größer werden, werden die Bauteile hingegen immer kleiner wie beispielsweise Mehrkernprozessoren mit immer mehr Rechenkernen auf gleicher Fläche. Diese steigenden Ansprüche und schrumpfenden Bauteilgrößen sind eine der Ursachen dafür, dass Fertigungsverfahren weiter optimiert werden müssen, insbesondere im Hinblick auf Präzision. Zum Entfernen von Materialien im Mikro- oder gar Nanometerbereich sind konventionelle Verfahren wie das Spanen schlichtweg nicht geeignet, da es in der Natur der Sache liegt, dass keine Strukturen im Mikrometerbereich entfernt werden können. Abhilfe schafft hier das Verfahren der Laserablation. Mithilfe leistungsstarker Laser können nun filigrane Strukturen zuverlässig im Mikrometerbereich und sogar im Nanometerbereich erzeugt werden und das Ganze sogar verschleißfrei, sodass kein Werkzeug ersetzt werden muss und das Bauteil weniger thermischer Belastung und weniger Spannungen ausgesetzt ist.

Am Karlsruher Instituts für Technologie wurde eine Versuchsanlage zur Mikrolaserablation entwickelt, in der ein Pikosekundenlaser der Firma Trumpf für Forschungszwecke integriert ist. In dieser Arbeit wird diese Anlage experimentell untersucht. Es soll festgestellt werden, welche Einflussgrößen bei der Laserablation in welcher Art und in welchem Ausmaß das Ergebnis der Bearbeitung beeinflusst. Hierzu werden kleine Stahlplatten in der Laseranlage strukturiert, also kleinste Partikel abgetragen, die anschließend mikroskopiert werden. Die wichtigste zu untersuchende Größe in dieser Arbeit ist dabei der Einstrahlwinkel. Trifft ein Strahl flacher auf eine Oberfläche, ist die Bearbeitungszone nicht mehr rund, sondern oval. Es wird also untersucht, inwieweit sich die Ovalität der Näpfchen, die bei der Laserbearbeitung entstehen, ändern, je weiter man sich vom Mittelpunkt der Bearbeitungszone fortbewegt. Aber auch andere Einflussgrößen und Zufallsfehler werden analysiert.

1.2 Aufbau der Arbeit

Diese Arbeit besteht aus sieben Kapiteln, angeführt von diesem ersten Kapitel.

Kapitel 2 erklärt die nötigen physikalischen Grundlagen der Laserstrahlung im Allgemeinen, die man zum Verständnis der folgenden Kapitel beherrschen sollte.

In Kapitel 3 folgt der aktuelle Stand der Technik. Zunächst werden die verschiedenen Typen der Laser sowie Methoden zur Strahlführung und -formung vorgestellt. Es folgt ein Überblick über die Fertigungsverfahren mit dem Schwerpunkt der Laserablation. Außerdem wird erläutert, was das Besondere an der Ultrakurzpulstechnik ist.

Kapitel 4 zeigt, welche Größen im Einzelnen untersucht werden und wie dabei experimentell vorgegangen wird, während im fünften Kapitel die Ergebnisse der Untersuchungen präsentiert werden, die dann im sechsten Kapitel wiederum interpretiert werden.

Eine Zusammenfassung, in der die Kernpunkte nochmals herausgearbeitet werden und ein Ausblick für die zukünftige Forschung in Kapitel 7 runden diese Arbeit ab.

2 Grundlagen

2.1 Ursprung des Lasers

Die Abkürzung LASER steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, zu Deutsch etwa „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Der Laser ist ursprünglich aus Experimenten mit der MASER-Technik entstanden, also der Verstärkung von Mikrowellen.

Albert Einstein erklärte 1917, dass ein Aufladevorgang, also eine induzierte Emission, möglich sein müsse, was sich später beim Laser bewahrheitet. 1927 führten R. Ladenberg und H. Kopfermann Versuche mit verschiedenen Gasen am Aufladevorgang durch. Dem sowjetischen Physiker W.A. Fabrikant gelang 1940 die erste Lichtverstärkung.

1950 entwickelte der deutsch-französische Physiker Alfred Kastler einen optischen Pumpvorgang. Er bestrahlte Atome mit Licht, das von den Atomen absorbiert wurde, da es eine ganz bestimmte Frequenz aufwies. So gerieten die Atome in einen höheren Energiezustand und gaben das Licht verstärkt wieder ab. Diese Versuche führte er sowohl mit sichtbarem Licht als auch mit Radiowellen durch. Durch die Bestrahlung mit Radiowellen entstand die Mikrowellenverstärkung, die als MASER bekannt wurde. Der Maser findet noch Einsatz beim Nachrichtenverkehr mit Erdsatelliten, in radioastronomischen Empfangsanlagen, in bestimmten Richtfunkanlagen als Verstärker und für den Betrieb von Atomuhren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1 Ein Wasserstoffmaser [Wik-13a]

Das Prinzip des Masers wurde 1951 von Charles Hard Townes formuliert. Er bestrahlte Ammoniakmoleküle mit Mikrowellen, die die gleiche Frequenz wie die Eigenfrequenz der Ammoniakmoleküle besaßen. Die Moleküle wurden in einen höheren Energiezustand versetzt und gaben ihre Strahlung verstärkt wieder ab, woraufhin eine Mikrowelle mit hoher Intensität entstand. 1953 wurde der erste Gasmaser in den USA entwickelt, wobei die Experimentierergebnisse aus Russland sehr hilfreich waren.

In Russland entstand 1957 dann der erste Festkörpermaser, während Townes sich bereits in den USA mit der Umsetzung eines Lasers beschäftigte, indem er statt Mikrowellenbestrahlung Lichtbestrahlung verwendete. Die Theorie dahinter wollte er sich 1958 patentieren lassen. Der Atomphysiker Gordon Gould hatte sich jedoch bereits 1957 von einem Notar Aufzeichnungen zu Versuchen eines Lasers hinterlegen lassen, worauf ein ewiger Rechtsstreit entstand, der erst 1977 mit einem Teilerfolg für Gould endete. Jedoch wurde bereits 1960 die Theorie des Lasers für Townes und Schawlow patentiert. Der erste funktionierende Rubinlaser wurde von dem amerikanischen Physiker Theodore Harold Maiman in der Hughes Aircraft Company im selben Jahr präsentiert. [Art-13]

2.2 Elektromagnetische Wellen

Laserstrahlen bestehen aus elektromagnetischen Wellen. Folgende Abbildung zeigt das elektromagnetische Wellenspektrum.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2 Elektromagnetisches Wellenspektrum [Wik-13b]

Es fällt auf, dass das für den Menschen sichtbare Licht im Wellenlängenbereich zwischen circa 400 und 700 nm liegt. Die für die Industrie bedeutsamen Laser emittieren in der Regel Strahlen, welche außerhalb dieses Bereichs liegen. Nd:YAG-Laser beispielsweise emittieren im Infrarotbereich, Excimer-Laser wiederum im ultravioletten. Hier einige ausgewählte Beispiele:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.1 Wellenlängen ausgewählter Laserquellen [För-1]

Elektromagnetische Wellen sind transversale Wellen. Das heißt, dass die miteinander gekoppelten Größen elektrische Feldstärke E und die magnetische Feldstärke H zur Ausbreitungsrichtung x der Welle senkrecht sind. Der periodische Verlauf dieser beiden Größen bestimmt die Ausbreitung der elektromagnetischen Welle. Da neben dem Betrag auch die Richtung relevant ist, handelt es sich um Vektoren. Folgende Darstellung veranschaulicht dies:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3 Darstellung einer elektromagnetischen Welle [RWT-13a]

Die beiden Feldstärken stehen senkrecht zueinander. Die Polarisationsebene ist hierbei die Schwingungsebene des elektrischen Feldstärkevektors.

Die Intensität I einer elektromagnetischen Strahlung entspricht der mittleren Leistungsdichte in einem bestimmten räumlichen Abschnitt, die von der Welle erbracht wird. Sie kann durch folgende Formel dargestellt werden:

Laserstrahlen genügen den Gesetzen der Wellenlehre, insbesondere der Wellenoptik. Hierzu gehören die Begrifflichkeiten Kohärenz, Interferenz, Beugung und Polarisation. Diese Begriffe werden im Folgenden erläutert.

Wenn zwei Wellen kohärent zueinander sind, so besitzen sie die gleiche Wellenlänge λ und eine konstante Phasenverschiebung φ0 oder keine Phasenverschiebung. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für den Laser. Bei einer festen Wellenlänge spricht man von monochromatischer Strahlung. Folgende Abbildung zeigt zwei kohärente Wellen ohne Phasenverschiebung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4 Kohärente Wellen ohne Phasenverschiebung [Wor-13]

Interferenz beschreibt die Überlagerung von Wellen. Hierbei kann es zu Verstärkungen, Schwächungen oder gar zur Auslöschung der Intensität kommen. Im ersten Fall spricht man von konstruktiver Interferenz, im zweiten Fall von destruktiver. Die nächste Darstellung verdeutlicht dies.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5 Konstruktive und destruktive Interferenz [Wik-13c]

Eine weitere wichtige Eigenschaft von Wellen ist die Beugung. Treffen Wellen auf Kanten oder Öffnungen, so ändern sich ihre Ausbreitungsrichtungen. Parallele ebene Phasenflächen werden zum Beispiel an einer Blende abgebogen, was eine Veränderung der Intensitätsstruktur zur Folge hat. Folgende Abbildung zeigt die Beugung an einem Spalt und damit verbunden die Intensitätsstruktur, hier ausgedrückt durch die Teilchenhäufigkeit.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6 Beugung am Spalt und Intensitätsstruktur [Qua-13]

Die letzte wichtige Eigenschaft, die hier erklärt wird, ist die Polarisation. Hierunter versteht man die Richtung der Schwingung einer Transversalwelle. Ändert sich diese Richtung schnell und ungeordnet, so spricht man von einer unpolarisierten Welle. Bei Longitudinalwellen hingegen gibt es keine Polarisation. Dies sind Wellen, die in Ausbreitungsrichtung schwingen.[För-01] [Eic-06]

2.3 Atome und Strahlung

Zum Verständnis des Lasers gehören ein paar Grundkenntnisse des Atomaufbaus, die nun erklärt werden. Hierzu wird das Bohrsche Atommodell herangezogen. Im Kern befinden sich Protonen und Neutronen, in der deutlich größeren Hülle die Elektronen. Die negativ geladenen Elektronen bewegen sich vereinfacht angenommen auf Kreisbahnen um den Kern herum. Bewegte Elektronen senden nach den Gesetzen der Elektrodynamik elektromagnetische Ladung aus. Demnach sollte man annehmen, dass das Elektron an Energie verliert und in den Kern hinein stürzt.

Niels Bohr konnte jedoch erklären, warum dem nicht so ist. Elektronen bewegen sich auf strahlungsfreien Bahnen, die bestimmten Quantenbedingungen genügen. Den erlaubten Bahnen ist ein bestimmter Energiewert für die Elektronen zugeordnet. Wechselt ein Elektron seine Bahn zu einer vom Kern weiter entfernten Bahn, so muss es Energie aufnehmen. Wechselt es hingegen in eine Bahn, die näher am Kern liegt als die Ursprungsbahn, so muss es Energie abgeben. In Frage kommen jedoch nur ganz bestimmte diskrete Energiebeträge, die so genannten Energiequanten oder auch Photonen genannt. Dies hat weiter zur Folge, dass beim Wechseln der Bahn Photonen abgegeben oder aufgenommen werden, je nachdem, ob eine am Kern nähere oder entferntere Bahn erreicht werden soll.

Die maximale Anzahl an Elektronen, die sich in solch einer strahlungsfreien Bahn gleichzeitig aufhalten können, ist durch die Quantenzahl bestimmt. Zur bildlichen Vorstellung der möglichen Energieniveaus werden Energieschemata verwendet. Folgendes Energieschema zeigt beispielhaft die Energieniveaus eines Wasserstoffatoms:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7 Energieniveaus eines Wasserstoffatoms [Ger-13]

Der Energiewert bei einem Bahnwechsel ergibt sich aus dem Produkt des Planckschen Wirkungsquantums (6,625 * 10-34 Ws) und der Frequenz des Strahlungsquants. Dies ist auch unter dem Namen Bohrsche Frequenzbedingung bekannt.

Mit zunehmender Quantenzahl n verkleinern sich die Energiedifferenzen benachbarter Niveaus. Der oberste Energiewert E∞ entspricht der Ionisierungsenergie. Das ist diejenige Energie, die benötigt wird, damit ein Elektron ein Atomverbund verlässt.

Damit also ein Elektron eine kernfernere Bahn erreichen kann, ist die Aufnahme von Energie notwendig, die mittels Bohrschen Frequenzbedingung exakt beschrieben wird. Es ist nicht möglich, dass Strahlungsquanten einer anderen Energie absorbiert wird. Mit dem Energieaustausch zwischen Atom und Umfeld ist stets eine Änderung der Besetzungszahl in den Energieniveaus verbunden. Makroskopische Objekte bestehen aus einer Vielzahl von Atomen, die untereinander Elektronen austauschen können. Eine Aussage über ein einzelnes Atom und deren Besetzungszahlen ist daher nicht möglich, vielmehr ein statistischer Mittelwert. Dieser Wert ist zudem von der Temperatur abhängig. Dies wird über das Boltzmannsche Verteilungsgesetz beschrieben:

Im thermodynamischen Gleichgewicht gilt grundsätzlich, dass je höher die Temperatur ist, desto höher ist die Besetzungszahl in den höheren Niveaus. Im Grundzustand ist sie jedoch etwas geringer.

Dies wird als Normalverteilung bezeichnet, die einen statistischen Wert über eine große Atomanzahl darstellt. Die Atome tauschen ständig Energie mit ihrer Umgebung aus und verändern dabei ihre Energieverteilung. Es werden in gleicher Anzahl Energiequanten unterschiedlicher Größe abgegeben wie auch aufgenommen. Dies wird ständig wiederholt, sodass es zu einem „Gemisch“ unterschiedlicher Frequenzanteile in der Abstrahlung kommt. Dieser natürlich vorkommende Vorgang nennt sich spontane Emission und bildet eine inkohärente Strahlung. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist das Licht einer Glühlampe, welches aus einem Spektrum vieler Strahlungsanteile, also Frequenzen, zusammengesetzt ist.

Für die Laserstrahlung wichtig ist jedoch die stimulierte oder auch induzierte Emission. Hiervon spricht man, wenn ein Energiequant von außen auf ein Atom wirkt und dadurch ein Elektron von einem höheren in ein niedrigeres Energieniveau übergeht. Voraussetzung dafür ist, dass das Photon, also der Energiequant, die gleiche Energie aufweist wie die Energiedifferenz zwischen dem aktuellen Niveau und einem darunter liegenden. Daraufhin strahlt das Atom das eingefallene und ein weiteres Photon ab. Diese Art der Emission wurde 1916 erstmals von Albert Einstein in seinem Aufsatz „Zur Quantentheorie der Strahlung“ postuliert. Die Photonen weisen bekanntlich eine frequenzabhängige Energiegröße nach der Bohrschen Frequenzbedingung auf. Folgende Abbildung veranschaulicht die spontane und die stimulierte Emission.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.8 Vergleich zwischen spontaner und induzierter Emission [Uni-13a]

Voraussetzung für die stimulierte Emission ist eine Besetzungsinversion. Eine Besetzungsinversion liegt vor, wenn die Besetzungszahl in einem energetisch höheren Niveau höher ist als in einem energetisch niedrigeren, was nach der Boltzmann-Verteilung im thermischen Gleichgewicht nicht möglich ist.

Diese Verletzung der energetischen Normalverteilung kommt in der Natur nicht vor, muss also künstlich durch äußeren Eingriff erzeugt werden. Dadurch wird eine in hohem Maße kohärente Strahlung ausgelöst. Die Besetzungsinversion ist zudem von einer hohen mittleren Aufenthaltsdauer der Elektronen für ein bestimmtes Niveau abhängig. Dies ist das Besondere an Lasermaterialien. Sie weisen Energieniveaus mit einer hohen Aufenthaltsdauer für Elektronen auf. Wenn die erforderliche Überbesetzung ausreichend lange aufrechterhalten werden kann, so spricht man von einem metastabilen Zustand. Die künstliche Erzeugung von Besetzungsinversionen durch eine äußere Energieeinspeisung nennt sich Pumpen. Die stimulierte Emission bildet die wichtigste Grundlage für die Lichtverstärkung, dem Lasereffekt. [För-01] [Str-09]

2.4 Entstehung von Laserstrahlen

Für den Lasereffekt müssen in Lasermaterialien folgende Voraussetzungen vorliegen:

- für die zu erzeugende Laserstrahlung geeignete Energiewerte mit bestimmter Wellenlänge und Frequenz
- Besetzungsinversion für das obere Laserniveau mit metastabilem Charakter
- Anregung und Stabilisierung der Lichtverstärkung durch Einwirkung einer kohärenten Strahlung.

Bei der Suche nach für Laser geeigneten Materialien wurde das energiebezogene Prinzip der Lichtverstärkung angepasst. Im folgenden Bild wird das Prinzip eines 4-Niveau-Lasers verdeutlicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.9 Energieniveaus beim 4-Niveau-Laser [Vit-13]

Es gibt ein oberes Laserniveau, in welchem die Besetzungsinversion erreicht werden soll. Der „Pumpvorgang“ findet in einem darüber liegenden Niveau von außen statt. Von diesem Pumpniveau aus wechseln Elektronen durch Abgabe eines Lichtquants auf das darunter liegende obere Laserniveau metastabiler Art. Wichtig ist dabei, dass das Pumpniveau deutlich schneller zum oberen Laserniveau zerfällt als in den Grundzustand. Darüber hinaus muss das obere Laserniveau eine relative hohe Lebensdauer haben. Der nun wirkliche Laserübergang findet zwischen dem oberen und dem unteren Laserniveau statt. Dadurch wird Licht mit definierter Wellenlänge und Frequenz erzeugt. Bei diesem Vorgang entstehen auch in hohem Maße Wärme und Strahlungsanteile, die nicht den Laserparametern entsprechen. Nachfolgende Zeichnung zeigt vereinfacht das Prinzip der Lichtverstärkung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.10 Prinzip der Lichtverstärkung [Wyn-13]

In der Mitte befindet sich das laseraktive Medium. Dieses wird durch die Pumpenergie von außen zu induzierter Emission angeregt. Dadurch wird monochromatische Strahlung der Intensität I0 zu einer gleichgerichteten und gleichartigen monochromatischen Strahlung I1 verstärkt. Üblicherweise wird Strahlung beim Durchgang durch den Medien in seiner Intensität geschwächt. Hier ist jedoch I1 (Ausgangsintensität) größer als I0 (Eingangsintensität).

Der Resonator verstärkt den Lasereffekt durch Erzeugung einer stehenden Welle. Hierzu werden die Wellenzüge gezielt reflektiert, was eine Überlagerung und damit wiederum eine Verstärkung der Strahlung zur Folge hat. Diese stehende Welle weist ortsfeste Lagen der Wellenknoten und -bäuche auf. Siehe nächste Abbildung.

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Abbildung 2.11 Resonatorraum [Uni-13b]

Der Resonator besteht aus reflektierenden Spiegeln mit gekrümmter Spiegelfläche. In der Regel gibt es einen totalreflektierenden Spiegel und einen teildurchlässigen Spiegel, durch den der Nutzanteil der Laserstrahlung nach außen abgeführt wird. Der Abstand der Spiegel muss ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge betragen, um eine stehende Welle bilden zu können. Der Spiegelabstand ist demnach definiert nach:

Da n in der technischen Anwendung eine sehr große Zahl ist, weisen Industrielaser eine relativ große Baulänge auf. Die stehende Welle wird als longitudinale Mode beschrieben. Durch die Mode wird die Struktur der elektrischen Feldstärke charakterisiert. An den Spiegelflächen und in den Knotenlagen der Welle beträgt sie null und in den Wellenbäuchen ist sie maximal.

Quer zur Ausbreitungsrichtung bildet sich ebenfalls eine Modenstruktur aus, die transversal-elektromagnetischen Mode (TEM). Die TEM kennzeichnet die Intensitätsverteilung im Querschnitt des Laserstrahls. Besonders günstig ist die Grundmode, da hier die Strahlqualität am besten ist. Sie hat optimale Fokussiereigenschaften, das heißt der Strahl lässt sich zu einem kleinen Brennfleck bündeln, wodurch die Intensitätskonzentration sehr hoch ist. Diese Grundmode wird auch TEM00 oder Gaußsche Mode genannt. Der Intensitätsverlauf der Grundmode ergibt grafisch eine konzentrierte Glockenform, die der Gaußschen Glockenkurve ähnelt, daher auch der Name.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.12 Intensitätsverteilung und elektrische Feldstärke bei TEM00 [Wik-13d]

Hierzu der Vergleich zwischen der TEM00 und schlechteren Moden mit rechteckigen Spiegeln:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.13 Intensitätsprofile verschiedener TEM [Wik-13d]

Die Indizes p und l in der Bezeichnung TEMpl bedeuten:

- p: Anzahl der Nullstellen in radialer Richtung
- l: Anzahl der Nullstellen in azimutaler Richtung.
Laserstrahlen weisen folgende wichtigen Vorzüge auf:
- Sie sind monochromatisch. Das heißt, sie bestehen nur aus Strahlung einer festen Wellenlänge.
- Der Laserstrahl ist nahezu parallel, er divergiert daher nur gering bei der Ausbreitung auseinander.
- Laserstrahlen sind zeitlich und räumlich kohärent, das heißt sie weisen an verschiedenen Orten gleicher Entfernung zur gleichen Zeit die gleiche Phasenlage auf.
- Laserstrahlen sind im Allgemeinen nicht polarisiert, der elektrische und magnetische Feldstärkevektor sind also nicht an festen Phasenbeziehungen orientiert. Der Laserstrahl kann jedoch durch bestimmte Vorkehrungen polarisiert werden.

Aus diesen Merkmalen leitet sich die Leistungsdichte ab, also dem Quotienten aus der Laserleistung und dem erreichbaren Fokussierungsquerschnitt. Die extrem hohe Strahlkonzentration gegenüber natürlichem Licht ist wesentliche Ursache für die große Leistungsdichte der Laser. Der Brennfleckquerschnitt ist nämlich um circa den Faktor 108 kleiner(!) als der des natürlichen Lichts. Die Strahlqualität ist nun das Produkt aus der Divergenz Θ und dem Strahlradius w0 an der dünnsten Stelle des Laserstrahls. Die Größe Θ*w0 wird als Strahlparameterprodukt bezeichnet. Sie bleibt während der Laserstrahlausbreitung nahezu konstant. [För-01] [Str-09]

2.5 Fokussierung des Laserstrahls

Durch optische Elemente wie Linsen und Spiegel kann man Laser genau so wie Licht fokussieren. Die Ausbreitung, Fokussierung und Divergenz sind abhängig von der Modenstruktur der Strahlung. Folgende Erklärungen beziehen sich auf die TEM00, sind aber qualitativ auch auf abweichende Moden übertragbar. Folgende Abbildung zeigt die Strahlausbreitung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.14 Strahlausbreitung mit Fokussierung [Wik-13e]

Der engste Bündelungsbereich ist die Strahltaille. Sein Durchmesser beträgt dT=2w0, hierbei steht w0 für den Radius des kreisförmigen Taillenquerschnitt. Im weiteren Verlauf weist die Strahlung eine geringfügige Aufweitung, also Divergenz, auf. Vom Taillenmittelpunkt ausgehend kann man Asymptoten an die Einhüllenden des Strahls legen. Deren halber Öffnungswinkel Θ stellt die Divergenz dar.

Legt man in Richtung der Strahlausbreitung die Koordinate z an, so lässt sich der Radius des Strahls mit Hilfe folgender Formel darstellen. Zu beachten ist, dass z=0 an der Taille gilt.

Die Rayleigh-Länge ist die Koordinate, an der der Strahl den doppelten Querschnitt gegenüber der Taille hat. Sie errechnet sich wie folgt:

[För-01] [Eic-06]

3 Stand der Technik

3.1 Einordnung der Laser

Die unterschiedlichen Laser lassen sich grob nach der Signalform und anhand des Lasermediums einordnen.

3.1.1 Lasertypen nach Signalform

Ein Laser kann im Dauerstrichbetrieb oder im Pulsbetrieb stattfinden.

Im Dauerstrichbetrieb, auch continuous wave (cw) genannt, gibt es eine konstante Pumpenergiezufuhr. Der Laserstrahl wird kontinuierlich erzeugt und ausgekoppelt. Dennoch kann die Laserleistung gesteuert werden.

Beim Pulsbetrieb wird der Laser in Intervallen angeregt. Die Laserleistung ist exakt regulierbar durch eine Folge von Puls- und Aussetzzeiten. Dadurch lassen sich extrem hohe Spitzenwerte der Laserausgangsleistung erreichen, die die vom Dauerstrichbetrieb deutlich übersteigen können. [För-01]

Die kleinstmögliche Pulsdauer, die bei Laserstahlen erreicht werden kann, hängt in erster Linie davon ab, wie die Laserpulse erzeugt werden. Pulsdauern im Mikrosekundenbereich werden durch gepulste Anregung zum Beispiel durch Blitzlampen erzeugt.

Mit gütegeschalteten Lasersystemen, den Q-switch-Lasern, erreicht man Pulsdauern im Nanosekundenbereich. Hier sorgt ein schnell schaltbarer Verschluss dafür, dass nur sehr kurz Laserstrahlung aus dem Resonator ausgekoppelt wird. In der Regel geschieht dies mit sogenannten Pockelszellen. Diese Zellen bestehen aus Kristallen, welche ihre transmittiven Eigenschaften entfalten, wenn man eine Hochspannung anlegt. Das laseraktive Medium wird jedoch auch zwischen den Pulsen gepumpt und angeregt. Es wird Energie gespeichert, die während des Pulses schlagartig freigesetzt wird, was eine sehr hohe Pulsenergie zur Folge hat. Die Pockelszelle schließt nach dem Puls, sodass im laseraktiven Medium wieder Energie aufgebaut wird.

Inzwischen sind jedoch auch Pulsdauern im Piko- und sogar Femtosekundenbereich möglich. Hierfür benötigt man modengekoppelte Systeme mit nachgeschalteten Verstärkerstufen. Derart kurze Pulsdauern lassen sich nicht mehr direkt erzeugen. Vielmehr überlagern sich mehrere unterschiedliche Moden im Resonator. Folgende Diagramme veranschaulichen die Modenkopplung der Übersicht halber von zwei verschiedenen Moden:

[...]