Optoelektronik 19.09.2008, 19:37 Uhr

Ultrakurze Laserpulse lassen Moleküle kollabieren  

VDI nachrichten, Stuttgart, 19. 9. 08, rb – Junge Forscher der Robert Bosch GmbH haben ein neuartiges Ultrakurzpuls-Laserverfahren für die Mikrobearbeitung zur Großserienreife gebracht. Pikosekundenkurze Lichtpulse tragen verschiedenste Materialien mikrometergenau dreidimensional ab. Nun erhalten die Entwickler dafür eine der höchsten Auszeichnungen in der Laserforschung.

Das Radio läuft im Bus nach Schwieberdingen. Draußen ziehen sanfte Hügel mit Obstplantagen und Feldern vorbei. Dann die Haltestelle Bosch Tor IV. Nach 500 m Fußweg tut sich eine andere Welt auf. Mehrgeschossige Gebäude und bunt gemischte Forschergrüppchen prägen hier auf dem Forschungs-Campus der Bosch Gruppe das Bild.

Jens König hat in diesem Mikrokosmos seine eigene Welt. Er ist Sprecher eines Forscherquartetts, das seit Anfang dieser Woche den „Oscar“ der Laserbranche trägt: den internationalen Innovationspreis der Berthold Leibinger Stiftung. Das Team hat ein Verfahren zur Reife gebracht, das verschiedenste Materialien mit ultrakurzen Laserpulsen µm-genau dreidimensional abträgt.

Bei einer Tasse Kaffee beginnt König zu erklären: „Die Industrie setzt heute immer mehr verschiedene Werkstoffe ein. Gleichzeitig geht der Trend in Richtung Mikrobearbeitung.“ Mal gilt es Eigenschaften von Oberflächen zu optimieren, mal Mikrostrukturen in hochfeste Stähle zu fräsen oder Keramiken für Sensoren zu bearbeiten. Je vielfältiger die Aufgaben, desto drängender die Frage nach dem Werkzeug. „Ziel der Mikrobearbeitung in der Serienfertigung ist es, die Werkstoffe schnell und zugleich so exakt zu bearbeiten, dass keine Nachbearbeitung nötig ist“, erklärt er.

Die Realität sah bisher anders aus. Der Forscher holt Mikroskopaufnahmen herkömmlich bearbeiteter Oberflächen hervor. Die Vergrößerungen zeigen Grate, Schmelzränder und ausgefranste Kanten.

Nur eine Aufnahme zeigt einen Graben mit glatten Ufern. „Dieses Bild ist bei uns im Labor entstanden“, sagt König. Der Kaffee ist gerade eingegossen. Doch ihn hält schon nichts mehr auf seinem Stuhl. Er will zeigen, was sein Team in den letzten acht Jahren erreicht hat. „Wir gehen am besten gleich rüber ins Labor und schauen uns das an“, sagt er im Aufstehen.

Einige Gänge weiter öffnet er die Tür zu einem Raum. Schilder warnen vor Laserlicht. Es brummt. Das Geräusch kommt aus einem meterlangen grauen Kasten: der Prototyp des Ultrakurzpuls-Lasers. Groß wie ein Familienvan.

Als König eine seitliche Klappe öffnet, kommen Innereien voller Linsen und Spiegelchen zum Vorschein. Im Einsatz rasen dazwischen Lichtwellen hin und her, pumpen sich mit Energie voll, um schließlich vorne durch eine geheimnisvolle schwarze Box von zwei Spiegeln µm-genau auf Werkstücke gelenkt zu werden. „Wir arbeiten hier im Pikosekundenbereich“, erklärt Königs Kollege Markus Willert. Billionstel Sekunden also. Eine Sekunde braucht Licht von der Erde zum Mond. In drei Pikosekunden schaffte es gerade einen Millimeter.

Die vier haben einen kleinen Versuch vorbereitet. König legt eine 1-Cent-Münze unter die schwarze Spiegelbox. Auf einem Monitor erscheint der Erdball auf der Münze. „Das Bildverarbeitungssystem nimmt den gleichen Weg wie später der Laser“, erklärt er, während er Europa anzoomt. Italien ist zu sehen. Er fährt weiter nach Norden. „Das müsste Stuttgart sein“, wirft Willert ein. Kurz setzen alle im Raum eine Schutzbrille auf. Dann der Hauch eines Flackerns über der Münze und die Brillen können wieder runter. König nimmt die Münze mit bloßen Fingern. Sie hat sich nicht verändert. Doch als er sie unter ein Mikroskop legt, ist Stuttgart auf der Münzenlandkarte mit einem Bosch-Logo markiert.

Zu hören war während der Mikrogravur nichts. Sie hat eine Sekunde gedauert, in der rund 400 000 Laserpulse auf das Material einprasselten. Jeder einzelne führt zu einer so genannten Phasenexplosion, die getroffene Moleküle förmlich zerreißt. Denn die Elektronen erhitzen sich schlagartig auf mehr als 10 000 Kelvin, während die Ionen auf Raumtemperatur bleiben.

Durch diese Differenz kollabiert das Ionengitter, das Material verdampft und wird gleich abgesaugt. Das alles geht zu schnell, als dass benachbartes Material schmelzen könnte. Ehe es heiß wird, ist der Zauber vorbei und an einer anderen Stelle schlägt der nächste Laserpuls ein.

Es hat lange gedauert, diesen Prozess sicher zu steuern. Anfangs brauchte der Laser 12 min, um ein 1 mm tiefes Loch mit einem Durchmesser von 100 µm in Metall zu picken. „Heute schaffen wir das in wenigen Sekunden“, sagt Thorsten Bauer, der Fertigungsspezialist im Team. Und es ist nicht bei Löchern geblieben. Er holt einen Dieselinjektor herbei. Die Einspritzdüse vorn ist abgeschraubt. Mittig, im Niederdruckbereich des Injektors, verläuft ein dicker Kanal. Darum sind im daumendicken Metallstab drei dünnere Hochdruckkanäle angeordnet. Zwei davon verbindet eine winzige halbrunde Rille. „Die Drainage stellt sicher, dass auch bei Drücken über 2000 bar kein Kraftstoff an den Dichtflächen aus dem Injektor gepresst wird“, erklärt Bauer. Das funktioniere nur, wenn die aufgeschraubte Düse später absolut bündig auf der Drainagerille sitze. Grate oder Schmelzränder sind da Tabu.

Bei Dieselinjektoren und Lambdasonden wendet Bosch das neue Verfahren schon in der Fertigung an. „Wir prüfen nun, wo es sich noch gewinnbringend einsetzen lässt“, berichtet König. Dabei hilft, dass Willert im Technologiemanagement bei Bosch Rexroth tätig ist und Bauer als Verfahrensentwickler im Werk Bamberg arbeitet. Beide bringen jenen Input aus der Praxis, der dem Laser den Weg in die Fabriken bahnte.

König zeigt auf einen Kasten, kaum ein Zehntel so groß wie der Prototyp. „So sieht unser System heute aus“, sagt er stolz. Das Gerät ruht auf baumdicken Beinen, die einen Gutteil der Vibrationen in einer Fabrik schlucken. Das Team hat das Verfahren in langer Detailarbeit so stabilisiert, dass es unter Realbedingungen zuverlässig arbeitet. „Solange der Fertigungsraum nicht unterkellert ist, bekommen wir die Schwingungen in den Griff“, erklärt Bauer. Auch schwankende Temperaturen und Drücke toleriere der Laser. Und das, obwohl seine Galvano-Motoren die Lenkspiegel bis auf tausendstel Grad genau ausrichten.

Ein Blick zurück: „Bei den ersten Systemen haben wir noch mit Hämmerchen ans Gehäuse geklopft, damit sich die Lichtwellen im Innern zufällig überlagern und Laserpulse entstehen“, erinnern sie sich schmunzelnd. Hintergrund: Die extrem kurzen Pulse kommen zustande, wenn sich die Wellen vieler verschiedener Lichtfarben überlagern und die Ausschläge jeweils zusammenfallen. Je stärker der Überlagerungseffekt, desto kürzer der Puls. Heute steuern passive Halbleiterelemente die Überlagerung. „Solche Sesams (semiconductor-saturable-absorber-mirrors) schlucken niedrige Intensitäten und reflektieren die starken Pulse“, erklärt Elektrotechniker Ulrich Graf. Die ausgewählten Pulse haben aber zuerst kaum Energie. Erst durch Nachverstärkung steigt die mittlere Lichtleistung von wenigen Milliwatt auf 50 W.

Dafür werden die Pulse durch einen laseraktiven Werkstoff gejagt. „Solche Medien lassen sich über Licht anregen“, erklärt er. Ihre Moleküle speichern die per Leuchtdiode zugeführte Lichtenergie. Werden Laserpulse wieder und wieder durch diese Energiespeicher geschossen, nehmen ihre Photonen jedes Mal mehr Energie mit. „Die Kunst liegt darin, die speziell bei ultrakurzen Pulsen rasant ansteigende Intensität zu steuern“, sagt Willert. Während der Ausgangspuls Pikojoule an Energie mitführe, würde der verstärkte Puls ohne Kontrolle die gesamte Apparatur zerstören. Damit das nicht passiert und den Anwendern auch sonst keine Gefahr droht, hat das System vor dem ersten Serieneinsatz aufwändige Prüfungen und Begutachtungen der Arbeitssicherheit durchlaufen. „Wir waren also vorhin zu keinem Zeitpunkt gefährdet“, lacht König und drückt seinem Besuch als Erinnerung die gravierte 1-Cent-Münze in die Hand. Als Sieger des mit 20 000 € dotierten Innovationspreises kann er gut darauf verzichten. PETER TRECHOW

  • Peter Trechow

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