Radial polarisierter Laserstrahl erhöht Präzision und Effizienz bei der Laser-Materialbearbeitung

Die Jahreskapazität von Solarzellen aus Foliensilizium liegt in Deutschland bei etwa 50 Mio. Wafern, laut Prognosen soll diese Zahl bis 2012 auf 500 Mio. Wafer steigen, so das ILT. Diese Entwicklung fordere von den Herstellern eine Ausweitung der Produktionskapazität bei höchsten Präzisionsansprüchen und gleichzeitiger wirtschaftlicher Effizienz.

Laserschneiden soll effizienter werden

Das Bundeswirtschaftsministerium hat deshalb das Verbundprojekt Komet gestartet. Der Name steht auch für das Projektziel: Entwickelt werden soll ein „Kompakter Festkörperlaser für effizienten Materialabtrag mit radial polarisiertem Licht“. Beteiligt sind den Angaben zufolge die Forschungseinrichtungen Laser-Laboratorium Göttingen LLG, das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und der Informatiklehrstuhl der Universität Erlangen-Nürnberg sowie die Unternehmen Innolas GmbH, Wacker Schott Solar GmbH, Admedes Schuessler GmbH, Advanced Laser Separation International N.V., Las-Cad GmbH, FEE GmbH und Schumacher Elektromechanik GmbH.

Gemeinsam würden die Projektpartnerbis 2012 die Entwicklung eines modular aufgebauten Festkörperlasers zum Präzisionsschneiden und -bohren planen. Vom Laser würden eine deutlich verbesserte Strahlqualität und eine Steigerung der Schneideffizienz von bis zu 50% gefordert.

Eine entscheidende Rolle hinsichtlich Qualität und Effizienz bei der Lasermaterialbearbeitung spielt der Polarisationszustand des Lichtstrahls, also die Richtung der Schwingung seines elektrischen Feldes, heißt es. Von ihm hänge unter anderem auch seine Fokussierbarkeit ab.

Polarisierter Laserstrahl bietet bessere Ergebnisse beim Schneiden und Bohren

Bislang werde beim Feinschneiden sprödharter Materialien wie Silizium ein Laser mit zirkular polarisiertem Strahl eingesetzt. Seine Schnittqualität sei im Gegensatz zum linear polarisierten Strahl von der Schneidrichtung unabhängig. Der Einsatz des Laserstrahls mit zirkularer Polarisation ermögliche für die industrielle Anwendung Ergebnisse, die dem Stand der Technik entsprechen.

An dieser Stelle setze das Projekt Komet an: Um die Einkopplungseffizienz und die Fokussierbarkeit des Laserstrahls unter Beibehaltung der Richtungsunabhängigkeit zu steigern, planten die Projektpartner nun den Einsatz radial polarisierten Lichts. Ein radial polarisierter Laserstrahl weist laut Mitteilung eine um bis zu 30% verbesserte Absorption auf als der zirkular polarisierte Strahl. Einkopplungsverluste würden so vermindert. Die radial-symmetrische Polarisation führe zu einer wesentlich verbesserten Schnittqualität.

Solarzellen-Hersteller sollen von neuem Laser profitieren

Am Beispiel Solartechnik wird deutlich, welche konkreten Vorteile mit dem innovativen Konzept erreichbar sind, wie das Fraunhofer-Institut berichett. 200 µ dünne Siliziumzellen (Foliensilizium) werden derzeit mit einer Schnittfugenbreite von einigen 10 µ bearbeitet.

Durch den Einsatz eines Lasers mit radial polarisiertem Strahl lasse sich dieser Schneidprozess wirtschaftlich und qualitativ erheblich optimieren. Eine Beschleunigung des Schneidprozesses um bis zu 50% und eine entsprechende Erhöhung der Produktionskapazität könnten realisiert werden. Außerdem werde eine wesentlich höhere Schnittpräzision erzielt.

Polarisierter Laserstrahl fokussiert deutlich präziser

Unter optimalen Bedingungen ist der Fokusbereich des radial polarisierten Strahls um bis zu 60% kleiner als bei konventionell erhältlichen Lasern, heißt es. Die nutzbare Fläche des Bearbeitungsmaterials könne auf diese Weise maximiert werden. Auch für das Laser-Dicing von Siliziumwafern sei das neue System von Interesse.

In einem ersten Schritt entwickelt das federführende LLG einen externen Polarisator zur Erzeugung radial polarisierten Lichts, wie das Fraunhofer-ILT berichtet. In Vorversuchen würden die Forscher aus Göttingen gemeinsam mit der Universität Erlangen-Nürnberg den Polarisator hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit überprüfen und optimieren und diesen anschließend dem Fraunhofer-ILT für die Erprobung zur Verfügung stellen. In Aachen soll der Prototyp dann unter produktionsnahen Bedingungen mit der dort vorhandenen Anlagentechnik getestet werden.

„Mit dem radial polarisierten Laser werden wir in Zusammenarbeit mit unseren Projektpartnern aus der Industrie Schneidversuche an Werkstücken durchführen. Auf Basis unseres Know-hows und unserer Ausrüstung in der Messtechnik können wir die Bauteile anschließend qualifizieren und so die Brücke von der Forschung zum Endanwender schlagen.“, sagt Dr. Jens Schüttler, Projektleiter Komet am Fraunhofer-ILT.

Laser-Anwendung auch in der Medizintechnik

In einem weiteren Schritt plane das Konsortium die Bereitstellung eines leistungsfähigen, industriell einsetzbaren Festkörperlasers, der ohne externe Bauelemente radiale Polarisation erzeugt. Bei einer Wellenlänge von 1064 nm soll der Laser Ausgangsleistungen von einigen 100 mW (Master Oszillator) beziehungsweise von bis zu 30 W (Power Amplifier) emittieren. Ein weiteres Anwendungsgebiet des neuen Laserkonzeptes sei die Medizintechnik, insbesondere die präzise Bearbeitung von Stents.