Machbarkeitsuntersuchung zur Erzeugung von Lichtauskoppelstrukturen auf optischen Kunststofflichtleitern mit dem Nd:YAG-Laser

Im Labor für Technische Optik befindet sich ein Messaufbau mit dem Untersuchungen zur Lichtauskopplung aus massiven Kunststofflichtleitern durchgeführt werden können. Hierfür wurden die Auskoppelstrukturen bisher mit einem Diamant in den Kunststofflichtleiter eingebracht. Dies war der eine Ausgangspunkt dieser Semesterarbeit. Der andere war eine im SS2005 von Herrn Haag absolvierte Semesterarbeit zur "Lasermaterialbearbeitung transparenter Kunststoffe, insbesondere mit dem Nd:YAG-Laser", bei der bislang ungeklärter weise ringförmige Bearbeitungsstrukturen entstanden.

Inhalt dieser Semesterabreit waren folgende Punkte:

• Machbarkeitsuntersuchung zur Bearbeitbarkeit von gewöhnlichem PMMA mit dem Nd:YAG-Laser des Studiengangs Mechatronik
• Untersuchung und Klärung der Ursachen der erzeugten Effekte
• Überprüfung der Ringeffekte der Vorgängerarbeit (wenn möglich Reproduktion und Ursachenklärung)
• Beschaffung von Probematerial mit laserselektiven Additiven
• Versuche mit PC-Probe mit laserselektiven Additiven
• Erkenntnisse aus den Untersuchungen der Effekte dokumentieren

Bei der für die Versuche verwendeten Laseranlage handelt es sich um einen Blitzlampen gepumpten Nd:YAG-Laser (40 W) der Fa. Haas (heute Trumpf-Laser). Dessen Laserkopf kann über ein Lichtleitkabel, anstelle des Fräskopfs, mit dem Präzisionsbearbeitungszentrum der Fa. Kern verbunden werden. Bild 1 zeigt den Aufbau der Bearbeitungsoptik. Ein Strahlteiler ermöglicht es Licht zur Beobachtung der Bearbeitungsstelle auszukoppeln.

Am Bedienpanel können die folgenden Laserparameter eingestellt werden: Pulsleistung, Pulsdauer, Pulsfolgefrequenz, Pulsanzahl.

Die ersten Versuche wurden mit einer 5 mm dicken PMMA-Probe durchgeführt. Bei den zuerst durchgeführten Einzelpulsversuche wurde zuächst die Bearbeitbarkeit des unmanipulierten PMMA untersucht und die Erkenntnis gewonnen, dass ein Bearbeiten ohne Einfärben der Oberfläche (mit schwarzem wasserlöslichem Stift) nicht möglich ist.

Anschließend wurden über mehrer Versuchsreihen mit eingeschwärzter Probe zunächst die vielversprechendsten Parameterbereiche und endlich die beste Parameterkombination (Pulsleistung 0,28 kW, Pulsdauer 1,1 ms) ermittelt und auf Reproduzierbarkeit geprüft.

Als Zweites wurden einige Versuch mit Mehrfachpulsen und Linien (durch aneinanderreihen von Laserpunkten) unternommen. Dabei zeigte sich, dass mehrere Impulse auf die selbe Stelle unweigerlich zu Zerstörungen führen. Die Erzeugung von Linien ist nur dann reproduzierbar ohne Zerstörungen möglich, wenn die einzelnen Laserpunkte mindestens ihren Durchmesser als Abstand zueinander haben.

Zuletzt zeigten Versuch mit anderen - im Prinzip gleichen - 5 mm PMMA-Proben, dass die Überführbarkeit auf andere Probestücke nicht ohne Weiteres möglich ist. Die Oberflächenqualität der Probe aber auch Unterschiede im Herrsteller spielen offensichtlich eine große Rolle.

Bei diesen Versuchen mit der PMMA-Probe ergaben sich die im Folgenden erklärten drei Effekte:

Die Oberflächeneffekte sind die erwünschten Effekte. Sie entstehen aus einer Kombination von photothermischen und photochemischen Prozessen die zusammen den sogenannten photophysikalischen Prozess bilden. Dieser liegt immer dann vor, wenn der Werkstoff einen vergleichsweise geringen Absorptionsgrad für die verwendete Wellenlänge aufweist, aber sich durch die Laserstrahlung Defekte an der Oberfläche bilden, die dann als Absorptionszentren fungieren. Der Ringeffekt aus der Vorgängerarbeit ohne Bearbeitung der Innenfläche konnte nicht reproduziert werden.

Bild 2: Oberflächeneffekt

Bei den Durchschlägen durchläuft der Laserstrahl die gesamte Probe und wird erst vom Klebeband auf der Rückseite absorbiert. Die hohen Energiedichten außerhalb des Fokus entstehen dabei durch Fokusverschiebungen die durch die Selbstfokussierung entstehen.

Bild 3: Durchschlag

Der sehr hohe Transmissionsgrad des PMMA und die starke Neigung zu Spannungsrissbildung bei Temperaturschwankungen zusammen mit den Verunreinigungen in der PMMA-Matrix führen zu starker punktueller Absorption. Diese erzeugt Karbonisierungen und Miniexplosionen durch Verdampfen des Materials unter der Oberfläche.

Bild 3: Zerstörungen

Die Laseradditive in der PC-Probe bieten einen hohen Absorptionsgrad für die Laserwellenlänge und einen niedrigen für andere Wellenlängen. Auf den verschieden stark mit Additiven angereicherten Proben wurden zunächst die Laserparameter ermittelt und dann die in Bild 4 gezeigten Strukturen erzeugt.

Bild 4: Linienstruktur (links) und flächige Struktur (rechts) auf laserselektiver PC-Probe

Diese Proben waren ohne weitere Manipulation gut ohne Zerstörungen bearbeitbar. Linienstrukturen mit leichten Überlappungen der einzelnen Laserpunkte sind möglich. Bei zu großer Überlappung tritt leichter Kohlenstoffausfall auf, der sich in einem leichten Grauschleier äußert.

Für die Untersuchung des Profils des Laserkraters hat sich der konfokale chromatische Topographiesensor bewährt. Dieser fokussiert weißes Licht mittels einer Optik mit ausgeprägter chromatischer Aberration auf die Probenoberfläche. Das reflektierte Licht wird für die Wellenlänge maximal, deren Fokus auf der Oberfläche liegt. Der Aufbau besteht aus einem x-y-z-Tisch mit Schrittmotorsteuerung, dem Messkopf sowie der Auswerteelektronik. Die Kalibration und die Messung werden von einem LabVIEW-Programm gesteuert.

Aus den Messwerten für ein Feld von 10 x 10 mm² mit der Auflösung 10 um konnten mit Hilfe von MatLab eine Höhendarstellung sowie ein Profil des Karters gewonnen werden (siehe Bild 5).

Bild 5: Topographiedarstellung und Kraterprofil