Für die Mikromaterialbearbeitung sind Ultrakurzpulslaser das Werkzeug der Wahl, weil sie eine effiziente Bearbeitung bei gleichzeitig minimiertem Wärmeeintrag ermöglichen. Die Wellenlänge von 515 nm ermöglicht darüber hinaus im Vergleich zum Infraroten eine bessere Fokussierbarkeit des Strahls. Bislang waren derartige Strahlquellen nur mit Ausgangsleistungen im Bereich von ca. 20 W verfügbar. Um den Durchsatz in der Materialbearbeitung zu erhöhen, werden Strahlquellen hoher Brillanz, Pulsenergie und Repetitionsrate benötigt, die hier erstmals realisiert wurden.

Vorgehensweise

Die Strahlung eines auf Innoslab-Technologie basierenden, modengekoppelten Yb:YAG-MOPAs (Master Oscillator Power Amplifier) wird in einem LBO-Kristall frequenzverdoppelt. Der MOPA stellt bei 1030 nm eine mittlere Ausgangsleistung von 360 W zur Verfügung. Bei einer Repetitionsrate von 76 MHz und Pulsdauern von 680 fs beträgt die Strahlqualität M² < 1,2/1,5 in stabiler/instabiler Richtung. Zum Erreichen einer hohen Konversionseffizienz wird der Konversionsprozess unter Verwendung der gemessenen infraroten Strahlparameter numerisch simuliert. Insbesondere werden Gruppenlaufzeiteffekte und Auswirkungen der inhomogenen Kristallerwärmung von dem am Fraunhofer ILT entwickelten Softwarepaket berücksichtigt.

Ergebnis

Nach der Konversion wurde eine mittlere Leistung von 190 W bei 515 nm gemessen. Dies entspricht einer Pulsenergie von 2,5 μJ. Bei einer Konversionseffizienz von 53 Prozent wurde eine Strahlqualität von M² = 1,19/1,24 in stabiler/instabiler Richtung erzielt. Vergleiche zwischen numerischer Simulation und Experiment zeigen eine gute Übereinstimmung, wobei zur systematischen Trennung von thermischen Effekten, Gruppenlaufzeiteffekten und Auswirkungen von Materialfehlern weitere Experimente nötig sind.

Anwendungsfelder

Potentielle Anwendungsbereiche der innovativen Strahlquelle umfassen den Einsatz im Bereich der Mikromaterialbearbeitung, die Dotierung von Silizium, das Schneiden von Kupfer sowie die Bearbeitung von Gläsern und Keramikwerkstoffen. Für den effizienten Einsatz in der Mikromaterialbearbeitung ist aufgrund der großen Pulsfrequenz die Entwicklung einer neuartigen schnellen Strahlablenkung erforderlich.