Zusammenfassung
Die Lasertechnik erlangte in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer räumlich und zeitlich konzentrierbaren Pulse für die Mikromaterialbearbeitung immer mehr an Bedeutung.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Wechselwirkung des Lasers mit dem Material unter physikalisch-chemischen Aspekten zu dokumentieren und zu analysieren. Zwei methodische Ansätze wurden verfolgt: einerseits der Vergleich von zwei Pulsdauerbereichen; andererseits die Gegenüberstellung unterschiedlicher Materialklassen. Hierbei muß zwischen zwei Energiedichtebereichen differenziert werden: zum einen der zum Abtrag führende Fluenzbereich, in dem die irreversible Morphologieänderung mit direktabbildenden Methoden beurteilt wird; zum anderen ein Energiedichtebereich, wo Modifikation des Materials im kondensierten Zustand einsetzt und physiko-chemische Veränderungen resultieren. Es wurde die Anwendung von Nanosekundenpulsen im ultravioletten Spektralbereich
= 10 ns, l
= 266 nm) mit der von Femtosekundenpulsen im Infraroten (t
= 130 fs, l
= 800 nm) verglichen. Die verschiedenen Laserparameter führten zu deutlichen Unterschieden im Bearbeitungsresultat. Es fanden zwei Materialklassen Einsatz: oxidische und nichtoxidische anorganische Verbindungen; ein Spezialglas (Barium-Alumo-Borosilikatglas) und drei nichtoxidische Keramiken (Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid und eine Kompositverbindung aus SiC-TiC-TiB2) wurden untersucht. Die chemischen Veränderungen wurden mithilfe von Oberflächen-Analyseverfahren - wie XPS, Nanoindenter, ESR, µ-Raman, EDX, XRD - im Vergleich von unbehandelter und Laser-behandelter Stelle detektiert. Bei Einzelpuls-Experimenten trat für alle Materialien ausschließlich Modifikation im kondensierten Zustand ein, selten kam es zur Blasenbildung. Für die Mehrpulsanwendung wurde mit den Nanosekundenpulsen eine Schmelze beobachtet und ein Teil des Materials blieb aufgeworfen zurück. Mit den Femtosekundenpulsen beobachtete man dagegen praktisch keine Schmelze und nur wenig kondensierten Auswurf (Debris).Es zeigten sich jedoch periodische Strukturen - Ripples genannt. Die Lasermaterialbearbeitung von binären Werkstoffen war durch präferentiellen Abtrag der leichteren Komponente gekennzeichnet. Zusätzlich traten als Folge der Laser-bedingten Schmelzbildung kristallstrukturelle Konversion, Metallisierung oder Oxidationsprozesse der bestrahlten Oberfläche auf. Es zeigte sich bei der Abtragung von anorganischen chemischen Verbindungen, daß die Pulslänge der eingesetzten Laserstrahlung einen entscheidenden Einfluß auf die physiko-chemischen Veränderungen der Materialien hatte. Pulse im Zeitbereich unterhalb einer Pikosekunde führten zu morphologischen und chemischen Modifikationen der bearbeiteten Fläche mit einer Dicke von einigen hundert Nanometern. Die Nanosekundenpulse hingegen resultierten in einer um mindestens eine Größenordnung dickeren Konversionsschicht. Technologische Konsequenzen wurden diskutiert. |
