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Lexikon der Optik: Materialbearbeitung mit Lasern

Materialbearbeitung mit Lasern, wesentlichste Anwendung der Laserstrahlung im technisch-industriellen Bereich unter Ausnutzung der erreichbaren hohen Leistungsdichte der Strahlung. In Verbindung mit einer entsprechenden Fokussierung der Strahlung auf kleine Durchmesser (im 100 μm-Bereich) werden Leistungsdichten >109 W/m2 (bis 1014 W/m2) in kleinen Raumbereichen erzielt, die zu einer starken Erhitzung und zum Schmelzen auch der härtesten Materialien (Diamant, Keramiken, Stahl) führen. Auf diese Weise möglich ist sowohl das Schneiden und Trennen der verschiedensten Materialien (Metalle, Keramik, Kristalle, Plastik, Textilien, Leder, Holz, Papier) – einschließlich der Bearbeitung komplizierter Strukturen mit einer hohen Schnittqualität ohne die bei konventionellen Verfahren notwendige Nachbearbeitung – wie auch das Schweißen (Schmelzschweißverfahren als Punkt- oder Nahtschweißen) bei Dicken (Stahl) bis zu 30 mm und Schweißgeschwindigkeiten bis zu 3 m/min. je nach Laserleistung.

Der Vorteil der M. m. L. besteht dabei – neben allgemein höheren Arbeitsgeschwindigkeiten – darin, daß die Wärmebeeinflussung auf kleine räumliche Bereiche beschränkt ist und eine Bearbeitung auch in räumlich schwer oder unzugänglichen Bereichen (unter Glas oder im Vakuum, räumlich komplizierte Struktur) erfolgen kann. Diese Besonderheiten ermöglichen über die genannten Verfahren hinaus spezielle Technologien wie den Materialabtrag in räumlich eng begrenzten Bereichen (Dicke 2 μm, Fleckdurchmesser <100 μm) zur Strukturierung dünner Schichten, zum Funktionsabgleich wie auch zur (optischen) Speicherung. Weitere typische Lasertechnologien sind das Bohren kleinster Löcher (Durchmesser <500 μm), bevorzugt in harten Materialien, wie auch das Ritzen, Gravieren und Beschriften der verschiedenen Materialien (Glas, Keramik, Metall, Plastik, Papier). Insbesondere das Ritzen in feinsten Strukturierungen zur Bearbeitung von mikroelektronischen Hybridschaltkreisen (auf Keramiksubstrat) sowie Silicium-Wafern (Ritzgeschwindigkeiten 400 mm/s, Spurbreite 30 bis 60 μm) hat große Bedeutung erlangt. Neben der Verwendung des fokussierten Laserstrahls zur Materialbearbeitung ist auch eine großflächige Bestrahlung zur Härtung und Oberflächenveredelung von Materialien möglich, wobei die notwendige Abkühlung allein durch Festkörperwärmeleitung erfolgt. Der Oberflächenbehandlung von Halbleitermaterialien zur Ausheilung von Dotierungsschäden durch Rekristallisationsprozesse wie auch der Oberflächenumstrukturierung und Hartstoffsynthese kommt hierbei besondere Bedeutung zu.

Als Laser für die Materialbearbeitung kommen bevorzugt Hochleistungslaser unter Beachtung ökonomischer Gesichtspunkte in Betracht. Heute werden im wesentlichen der CO2-Laser sowie der Neodym-YAG-Laser eingesetzt, und zwar im cw- wie auch im Impulsbetrieb, wobei die Betriebsart vom vorgesehenen Verwendungszweck und vom Bearbeitungsverfahren abhängt. Das gilt auch für die notwendige Laserleistung, die für den CO2-Laser bis zu 106 W, üblicherweise 103 W (cw), und 109 W (gepulst, Impulsdauer 1 ns, Folgefrequenz 10 Hz) sowie 200 W (cw) und 107 W (gepulst, Impulsdauer 10 bis 100 ns, Folgefrequenz 104 Hz) für den Nd-YAG-Laser betragen kann. Zunehmende Bedeutung kommt dem Einsatz ultrakurzer Laserimpulse (unter Verwendung des Titan-Saphir-Lasers) zu, wodurch eine hohe Kantensteilheit und Reproduzierbarkeit der erzeugten Strukturen ermöglicht wird.

Mit weitgehend kommerzialisierten Systemen, bestehend aus Laser, Bearbeitungs- und Steuereinheit, wird die M. m. L. heute in den verschiedensten industriellen Bereichen eingesetzt und eröffnet weitgehend neuartige technologische Möglichkeiten.

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