Beam shaping of ultrashort laser pulses by means of acousto-optic deflection and refraction
Final Report Abstract
In diesem DFG-Projekt ist eine neue Technologie für die Laserstrahlformung bei der Lasermaterialbearbeitung erforscht. Bisher stellte sich das Problem, dass Ultrakurzpulslaser mit Repetitionsraten von mehreren MHz und Ausgangsleistungen jenseits 50 W bereit stehen und prinzipiell eine Erhöhung der Abtragsrate bei der Mikrostrukturierung möglich ist. Die momentanen Einschränkungen der Abtrags- bzw. Bearbeitungsgeschwindigkeit sind durch die zur Verfügung stehenden Strahlführungs- und -formungstechnologien bedingt. Die in diesem Projekt erforschte Technologie löst diese Einschränkung. Dafür wird auf den schon seit fast 100 Jahren bekannten akustooptischen Effekt aufgebaut und zusätzlich zu der damit bekannten Laserstrahlablenkung eine Formung des Laserstrahls erreicht. Mit dieser akustooptischen Strahlformung (AOS) kann eine um mehrere Größenordnungen höhere Anzahl an Strukturpunkten pro Sekunde erzeugt werden als mit anderen bekannten Technologien. Darüber hinaus können akustooptische Kristalle theoretisch mit mehrere tausend Watt Laserleistung betrieben werden. Experimentelle Belege bestätigen diese Vorhersage. Damit ist die AOS nahezu unbegrenzt mit Strahlquellen im kontinuierlichen Betrieb und auch im Pulsbetrieb einsetzbar. Das Prinzip der AOS beruht auf der Einkopplung von Schallwellen in einen akustooptischen Kristall, die eine schnelle Änderung der Frequenz aufweisen. Durch diese Signale mit lokal unterschiedlichen Frequenzen kommt es zu einer lokal unterschiedlichen Ablenkung eines einfallenden Laserstrahls und damit zu einer räumlichen Umverteilung dessen Energie. Eine zweidimensionale Strahlformung wird dann erreicht, wenn zwei zueinander senkrechte Achsen eine eindimensionale Strahlformung erzeugen. Mathematisch gesehen entspricht dies einer Faltung. Dabei wird die Leistung eines Laserstrahls erst in die eine, dann in die andere Achse umverteilt. So kann zum Beispiel ein Barcode, der aus mehreren parallelen, gleichlangen Linien oder Balken besteht, in nur einem Profil erzeugt werden. Eine Zielverteilung die aus den Buchstaben „LPT“ besteht, muss hingegen aus einer Abfolge an rechteckigen Basisstrukturen zusammengesetzt werden. In diesem Forschungsprojekt ist diese Technologie erforscht, und vor allem der Algorithmus zur Berechnung der Signale entwickelt worden. Mit diesem Algorithmus ist eine effiziente akustooptische Laserstrahlformung möglich. Da im Allgemeinen bei der diffraktiven Laserstrahlformung Interferenzerscheinungen im Strahlprofil auftreten und diese für die Erzeugung einer homogenen Struktur hinderlich sind, sind verschiedene Ansätze der Homogenisierung des Strahlprofils untersucht worden. So kann bei der AOS eine Homogenisierung durch eine laterale Verschiebung der Signale leicht durch einen nicht synchronen Betrieb erreicht werden. Eine weitere Möglichkeit bietet der gezielte Einsatz der Dispersion am akustischen Gitter. Für die Materialbearbeitung mit holographischer Strahlformung hat sich die Applizierung von alternativen Hologrammen mit identischer Strahlprofilform, jedoch mit einer unterschiedlichen Ausprägung der Interferenzen, am effektivsten erwiesen. Es hat sich dabei gezeigt, dass bei kompensierter Dispersion eine Anzahl von mindestens 86 alternativen Hologrammen verwendet werden sollten. 2017 konnte die akustooptische Strahlformung erstmals auf der World of Photonics mit einem Demonstrator präsentiert werden. Darauf folgten weitere Demonstrationen auf Konferenzen und Ausstellungen.
Publications
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Electro-optic and acousto-optic laser beam scanners. In: SPIE 9736, Laser-based Micro- and Nanoprocessing X, 97360L, 2016
Heberle, J.; Bechtold, P.; Strauß, J.; Schmidt, M.
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IFTA Calculation of Frequency Patterns for Acousto Optical Laser Beam Shaping. In: Proceedings of ICALEO, #M1002, 2016
Strauß, J.; Vorndran, M.; Heberle, J.; Schmidt, M.
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Tailored laser beam shaping for efficienct and accurate microstructuring. In: Applied Physics A 124(2), 2018
Häfner, T.; Strauß, J.; Roider, C.; Heberle, J.; Schmidt, M.
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Ultraschnelle Laserstrahlformung durch Akustooptik. In: Mikroproduktionstechnik, 2018
Strauß, J.; Heberle, J.; Schmidt, M.
