Glasfügen mit ultrakurzen Laserpulsen
Für das Fügen transparenter Materialien bieten Ultrakurzpulslaser deutliche Vorteile: Sie benötigen kein Bindemittel, gewährleisten gleichbleibende Eigenschaften der Fügepartner und ermöglichen eine hohe Alterungsstabilität sowie geringe Ausschussraten.
Spiegelhalter, Fügezone Aluminium/Saphir
Ultrakurzpulslaser haben in den letzten Jahren enorm an Bedeutung gewonnen. Während sie früher nur für spezielle Anwendungen in Forschung und Entwicklung verwendet wurden, entwickeln sie sich in der heutigen Zeit zu einem Standardwerkzeug in der industriellen Materialbearbeitung. Einen signifikanten Anteil nehmen hierbei transparente, sprödharte Materialien ein, beispielsweise Gläser, transparente Keramiken oder Kristalle. Verwendet werden diese in unterschiedlichen Produkten der Unterhaltungselektronik, der Automobilindustrie oder der Medizintechnik (Bild 1).
Zunehmendes industrielles Interesse erlangt auch das Fügen sprödharter, transparenter Materialien, wobei das zuverlässige und stabile Verbinden zweier transparenter Fügepartner nach wie vor eine Herausforderung darstellt. So verschlechtern sich bei den meisten Fügeverfahren die mechanischen, chemischen und optischen Eigenschaften erheblich. Dies gilt beispielsweise beim Kleben, Löten, optischen Kontaktieren oder beim Diffusionsbonden. Die Lasertechnik kann hier für entscheidende Verbesserungen sorgen.
Eine besondere Herausforderung stellt die Laserbearbeitung transparenter Materialien dar. Kontinuierlich emittierende Laser mit einer Wellenlänge von 1030 nm durchdringen diese Materialien, ohne nennenswert Energie zu absorbieren. Gerade aus diesem Grund dienen Lichtleiter aus Glas als Transportwerkzeug für Laserlicht dieser Wellenlänge, denn die Verluste im Glas sind minimal und somit tolerierbar. Ein Fügeprozess lässt sich mit diesen Lasern somit nicht realisieren. Anders verhält sich dies bei Ultrakurzpulslasern: Sie emittieren für eine sehr kurze Zeitspanne – typischerweise kleiner 10 ps – Laserlicht mit extrem hoher Pulsspitzenleistung. Vergleichbar ist dies mit der mittleren Leistungsaufnahme einer Stadt, beispielsweise Freiburg mit circa 500 MW.
Für einen Fügeprozess wird Energie benötigt, welche in Form von Elektronen zuerst Wärme und dann ein lokales Schmelzvolumen erzeugt. Modellhaft lässt sich sagen: Die Elektronen müssen von einem nicht angeregten Zustand im Valenzband (niedriges Energieniveau) in einen angeregten Zustand im Leitungsband (höheres Energieniveau) versetzt werden. Die Lücke zwischen Valenzband und Leitungsband muss energieäquivalent durch Lichtenergie aus dem Laser geschlossen werden. Das heißt, dass der Laserpuls mindestens so viel Energie wie die Bandlücke (Energiedifferenz Leitungsband zu Valenzband) zur Verfügung stellen muss. Durch die sehr hohe Pulsspitzenleistung und die starke Fokussierung des Lichts lässt sich ein starkes elektromagnetisches Feld im Material induzieren, sodass Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband tunneln können. [...]
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