Ultrakurzpulslaser: Einzelpulsgenaue Echtzeit-Positionierung

BMBF-Verbundprojekt ScanLine

Ultrakurze Laserpulse mit Dauern von einigen Femtosekunden (1 fs = 10 hoch −15 s) bis hin zu wenigen Pikosekunden (1 ps = 10 hoch −12 s) erlauben völlig neue Bearbeitungsverfahren, die mit konventionellen Werkzeugen so nicht möglich sind. Wesentliches Merkmal der Laserblitze sind extrem hohe Spitzenintensitäten, die auf Grund der starken zeitlichen Kompression bereits mit sehr geringen Pulsenergien erreicht werden können. Dies ermöglicht einen hochpräzisen Materialabtrag ebenso wie die Bearbeitung temperatursensibler Materialien ohne thermische Schädigung.

Um diese Vorzüge der Ultrakurzpulslaser für genaue Bearbeitungsresultate auch effektiv nutzen zu können, ist es wichtig, jeden einzelnen Laserpuls präzise abzulenken und reproduzierbar mittels sogenannter Scanner auf dem jeweiligen Werkstück zu positionieren.

Hohe Pulswiederholrate mit einigen Tausend bis zu einigen Million Schuss pro Sekunde stellen sehr hohe Ansprüche an die Geschwindigkeit und Präzision der elektro-mechanischen Ablenkeinheiten. Mit zunehmender Geschwindigkeit treten hier z.B. auf Grund der Trägheit Schleppfehler oder Pulsüberlapp auf, die es zu kompensieren gilt. Bisher führt dies meist dazu, dass Pulse verworfen werden müssen und somit die eigentlich mögliche Bearbeitungsgeschwindigkeit nicht erreicht wird.

Die Pulswiederholrate wird in der Regel vom Laserresonator bestimmt und kann nur bedingt von außen vorgegeben werden. Häufig weist diese zusätzlich noch eine statistische Schwankung auf, welche die Synchronisation mit den Ablenkeinheiten erschwert. Darüber hinaus müssen alle Komponenten, welche den Strahlengang des Lasers festlegen, auch noch die hohen Pulsspitzenleistungen aushalten, um lange Standzeiten in der Anwendung und somit einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen.

Die angestrebte Innovation des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundes „ScanLine“ stellt eine neuartige Steuerungsarchitektur dar, welche es ermöglichen wird, sowohl den Laser als auch mehrere Ablenkeinheiten untereinander zu synchronisieren. Somit soll es möglich werden, verschiedene Ablenksysteme zu kombinieren und ihre jeweiligen Vorteile auszunutzen. So soll z.B. der Schleppfehler, welcher bei mechanischen Scannern bei schnellen Bewegungen auftritt, durch zusätzliche kleine, dafür aber schnellere Ablenkungen durch elektro-optische Kristalle kompensierbar werden.

Mit Hilfe dieser neu zu erforschenden Technologie soll erstmalig für Laser mit hohen Pulsfolgefrequenzen im MHz Bereich eine präzise synchronisierte Bewegung von mechanischen- und die Ansteuerung von elektro-optischen Strahlpositioniereinheiten mit der Möglichkeit einer phasenstarren Kopplung zu einem extern vorgegebenen Laseroszillator verwirklicht werden.

Hintergrund zum BMBF-Verbundprojekt
Das BMBF-Verbundprojekt ist am 01. April 2012 gestartet und läuft im Rahmen der BMBF-Initiative „Ultrakurzpulslaser für die hochpräzise Bearbeitung“ über einen Zeitraum von drei Jahren bis zum 31. März 2015. Das BMBF unterstütz die Arbeiten des Projekts mit knapp 3,2 Millionen Euro. Mit der Projektträgerschaft hat das BMBF die VDI Technologiezentrum GmbH beauftragt.

Am Ende dieses Projekts sollen unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus verschiedenen Analysen die Controller, Optiken, Optoelektroniken, Schnittstellen und Mechaniken erarbeitet werden, die auf die Realisierung in verschiedenen Demonstratoren der einzelnen Partner angepasst und integriert werden.

Projektpartner
• ARGES GmbH, Wackersdorf (Verbundkoordination)
• LIMO GmbH, Dortmund
• Qioptiq Photonics GmbH & Co. KG, Feldkirchen
• KUGLER GmbH, Salem
• Paul Pleiger Maschinenfabrik GmbH & Co. KG, Witten
• Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF Jena