Project Description

Die Laser-Plasma-Hybrid-Technologie kann konventionelle Verfahren der Laser-Strukturierung von Glas hinsichtlich Bearbeitungsqualität, Prozesszeiten und eingesetzter Energie signifikant verbessern. Das Verfahren kann mit relativ geringem Aufwand in bestehende Fertigungsprozesse integriert werden.

Relevanz für Unternehmen

Eine Verbesserung konventioneller Laserablations-Verfahren führt für Hersteller optischer Systeme oder Laserbearbeitungsanlagen bzw. deren Nutzern zu einem beträchtlichen Mehrwert. An der HAWK wurden unterschiedliche Methoden der Plasma-unterstützten Laserablation entwickelt, deren Kombination die „Bereitstellung eines neuartigen geschlossenen plasmaunterstützten Ablationsprozesses zur Mikrostrukturierung hochqualitativer optischer Komponenten“ erlaubt [1]. Mit den untersuchten Hybrid-Techniken kann eine signifikante Verbesserung der Bearbeitungsqualität (Formtreue, Rauheit) der Laser-Strukturierung, eine deutliche Einsparung in der eingesetzten Laser-Energie und eine Verkürzung von Bearbeitungsprozessen erzielt werden. Aufgrund der hohen Adaptierbarkeit der verwendeten Plasmaquellen können die entwickelten plasmaunterstützten Ablationsmethoden mit vergleichsweise geringem technischen und finanziellen Aufwand  in bereits existierende lasergestützte Bearbeitungsprozesse integriert und zu einem integralen Ablations- und Fertigungsverfahren für Glas­oberflächen kombiniert werden.

Mikroskopie-Aufnahme einer unbehandelten (links) und plasma-vorbehandelten (rechts) Glasoberfläche nach Laserablation.

Motivation und Methodik

Im Kontext der Herstellung optischer Systeme avancierten optische Gläser zu den wichtigsten Mate­rialien in der modernen optischen Technologie. Für die Strukturierung dieser Gläser im µm-Bereich stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, wobei insbesondere für komplex geformte Oberflächen die Laser-Mikro-Strukturierung die bevorzugte Methode darstellt. Limitierend ist dabei die hohe Energiedichte um die Ablationsschwelle zu überschreiten, weshalb verschiedene Methoden einge­setzt werden um strahlungsabsorbierende Schichten auf die hoch-transmittiven Glasoberflächen aufzubringen. Dabei kamen zwei Anwendungsstrategien zum Einsatz: die sequentielle und die simul­tane plasmaunterstützte Laserablation. Bei der sequentiellen plasmaunterstützten Ablation [2,3] wird die Glasoberfläche mit einem reduzierenden Wasserstoff-Plasma vor dem eigentlichen Laserablations-Prozess behandelt, um eine plasmachemische Oberflächenmodifikation zu initiieren. Es konnte gezeigt werden, dass optische Eigenschaften (insbesondere das Transmissionsverhalten) der untersuchten Gläser durch die Plasmavorbehandlung signifikant verändert werden. Im Gegensatz zu existierenden Methoden wird die (Laser)strahlungsabsorbierende Schicht direkt im zu ablatierenden Material erzeugt, so dass ein aufwändiger Nachreinigungsprozess entfällt. Der Ablations-Prozess der simultanen plasma- unterstützten Ablation erfolgt durch die Kopplung eines Lasers mit einem Plasma, der Laserablati­ons-Prozess wird hier durch plasma-physikalische Mechanismen unterstützt. Bei dieser Methode [4] wird die Laserablation gleichzeitig mit der Plasmabehandlung ausgeführt, um durch einen zusätzli­chen Energieeintrag den eigentlichen Ablationsprozess zu un­terstützen.

Lichtmikroskopische (oben) und  REM-Aufnahme (unten) einer Laser-ablatierten (links) und Laser-Plasma-ablatierten (rechts) Glasprobe [2].

Referenzverzeichnis

[1] C. Gerhard: Atmospheric Pressure Plasma-Assisted Laser Ablation of Optical Glasses, Dissertation, Cuvillier Verlag, Göttingen 2014.

[2] C. Gerhard, M. Dammann, S. Wieneke, W. Viöl: Sequential atmospheric pressure plasma-assisted laser abla­tion of photovoltaic cover glass for improved contour accuracy, Micromachines 5 (2014) 3, 408-419

[3] W. Viöl, S. Wieneke, J. Hoffmeister, S. Brückner, C. Gerhard, J. Ihlemann: Verfahren zum Materialabtrag an Glasoberflächen Europäische Patentschrift EP2780134 B1 (16.09.2015,) Anmeldenummer EP20120788174

[4] C. Gerhard, S. Roux, S. Brückner, S. Wieneke, W. Viöl: Low-temperature atmospheric pressure argon plasma treatment and hybrid laser-plasma ablation of barite crown and heavy flint glass, Applied Optics 51 (2012) 17, 3

Projektdetails

Dieser Blick in die Forschung basiert auf der kumulativen Dissertation von Dr. Christoph Gerhard mit dem Titel „Atmospheric Pressure Plasma-Assisted Laser Ablation of Optical Glasses“, erstellt im Rahmen des EFRE-Projektes NIP der Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK).

An der HAWK werden Schlüsseltechnologien mit Blick auf Zukunftsfähigkeit, Energie- und Ökoeffizienz und Verwendbarkeit in großen, mittelständischen und kleinen Unternehmen entwickelt. Die Fakultät Naturwis­senschaften und Technik beheimatet einen der drei Forschungsschwerpunkte der HAWK, die Laser- und Plasmatechnik. Ein besonderes Augenmerk kommt dabei den Atmosphären­druckplasmen zu, die durch ihre Effizienz, Prozesskontrolle und Flexibilität charakterisiert sind.

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Ihr Kontakt

Prof. apl. Prof. Dr. Wolfgang Viöl
Prof. apl. Prof. Dr. Wolfgang ViölHAWK Hildesheim/ Holzminden/ Göttingen
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