Kollektive Wechselwirkung von Laserpulsen mit Glas für optische nichtlineare Effekte in der additiven Fertigung (PIONEAR)

• Antragsteller: Professor Dr. F. Ömer Ilday
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568700482

Glas bietet mehrere einzigartige Eigenschaften, wie chemische Inertheit, geringe Wärmeleitfähigkeit, hohen elektrischen Widerstand und optische Transparenz. Diese machen Glasmaterialen unverzichtbar in medizinischen, pharmazeutischen und chemischen Anwendungen sowie im täglichen Gebrauch. Glas ist jedoch spröde, hitzeempfindlich und schwierig zu handhaben. Die Kurzpulslaser-Präzisionsmikrobearbeitung hat sich als leistungsstarkes Werkzeug für die Glasbearbeitung mit handelsüblichen Lasern etabliert. Durch nichtlineare Absorption ermöglichen diese Laser lokalisierte Modifikationen wie Markieren, Bohren, Schneiden und transparentes Schweißen. Dennoch bleibt die additive Fertigung von transparentem Glas eine bisher ungelöste Aufgabe, anders als bei Metallen und Polymeren. Laser (oft in Dauerstrichbetrieb) eignen sich aufgrund ihrer präzisen Energieabgabe gut zum lokalisierten Schmelzen und Erstarren von Metallen. Für transparente Materialien wie Glas ist diese Methode jedoch weniger effektiv und steht vor erheblichen Herausforderungen: Schwache Absorption führt zu einer schlechten Energieübertragung, wobei der Großteil der einfallenden Energie transmittiert oder gestreut wird und nur ein kleiner Teil das Volumen im Fokus erwärmt. Selbst geringe Abweichungen im Absorptionskoeffizienten können den Energietransfer erheblich beeinträchtigen und so Kontrolle und Wiederholbarkeit beschränken. Versuche, diese Probleme mit Bindematerialien oder langwelligen Lasern zu lösen, führen häufig zu Defekten wie gelblichen Verfärbungen, Schrumpfung, Verformungen, Blaseneinschlüssen und Rissen. Das PIONEAR-Projekt schlägt einen neuartigen Ansatz für die additive Fertigung von Glas vor, der auf nichtlinearer Absorption mit Ultrakurzpuls Lasern im GHz-Burst-Modus basiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Laserpulsen verteilt diese Methode die benötigte Energie auf mehrere Pulse niedrigerer Energie unterhalb der Ablationsschwelle, aber mit ausreichend Spitzenleistung für die Mehrphotonenabsorption. Unsere Methode ähnelt eher der ultraschnellen Mikroskopie als der konventionellen Ultrakurzpuls Materialbearbeitung. Die Pulse innerhalb eines Bursts wechselwirken kollektiv mit dem Glas, da die sehr kurzen Pausen zwischen ihnen dafür sorgen, dass sich vorübergehende Materialeffekte während des Bursts akkumulieren. Die kurze Burstdauer minimiert die Wärmediffusion über das Fokusvolumen hinaus. Das PIONEAR-Projekt zielt darauf ab, einen Machbarkeitsnachweis für die additive Glasherstellung zu demonstrieren und die Technologie vom TRL 1 auf 3 weiterzuentwickeln. Unser Ziel ist es, neue grundlegende Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie Femtosekunden-Laser-Bursts transparente Materialien wie Glas durch nichtlinearen Energietransfer erhitzen können ohne dabei die Abtragschwelle zu überschreiten. Wir werden diese Erkenntnisse auf den 3D-Druck von Objekten im Millimeterbereich anwenden, wie z. B. biotechnologische „Scaffolds“ oder optische Komponenten wie bi- oder multifokale Linsen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr.-Ing. John Lopez; Professorin Dr. Inka Manek-Hönninger