Laserstrahlen für die Glasbearbeitung

  • 18. December 2018

Speziell geformte ultrakurze Laser­pulse lassen sich opti­mal an die je­wei­lige Auf­gabe an­passen.

Glas mit beliebigen Konturen trennen? Ohne Staub und ohne Nach­arbeit an den Kanten? Das geht sogar schnell mit speziell geformten ultra­kurzen Laser­pulsen: Am Fraun­hofer-Institut für Laser­technik wird eine Techno­logie ent­wickelt, die mit refrak­tiven und diffrak­tiven optischen Elementen Laser­strahlen eine Form gibt, die optimal an die jeweilige Auf­gabe ange­passt ist. Die Anwen­dungen dafür gehen weit über das Glas­trennen hinaus: In Zukunft werden so auch Head-up-Displays für die Auto­mobil­industrie gefertigt.

Strahlformung

Abb.: Durch Strahlformung lassen sich Laser­strahlen zur Struk­tu­rie­rung im Glas­volumen für die Her­stel­lung von 3D-Bau­teilen opti­mieren. (Bild: V. Lannert, Fh.-ILT)

Mit den Smartphone-Displays kam die Frage auf, wie sich runde Konturen in gehärte­tem Glas schnell und ein­fach trennen lassen. Die Frage hat die Ent­wick­lung von Laser­systemen für ultra­kurze Pulse maß­geb­lich voran gebracht. Denn mit diesen Pulsen lässt sich Glas so modi­fi­zieren, dass es ent­lang einer beliebigen Kontur prak­tisch rück­stands­frei gebrochen werden kann. Die Laser­pulse ritzen dabei nicht die Ober­fläche an, sondern erzeugen im Volumen kleine mecha­nische Span­nungen, die beim Ver­ein­zeln zu einer sauberen Kante führen. Dafür wird aller­dings eine spezi­elle Inten­sitäts­ver­tei­lung im Laser­strahl benötigt, mit einer langen Strahl­taille sowie einem mög­lichst steil abfal­lenden Inten­sitäts­profil.

Moderne diffraktive optische Elemente können Licht in fast belie­bige Formen bringen. Mit ihrer Beugungs­struktur lässt sich der Laser­strahl präzise ein­stellen. So werden spezi­elle Strahl­profile oder kom­plexe Muster aus einem ein­zelnen Strahl erzeugt. Oder das diffrak­tive optische Element ver­teilt die Energie eines Strahls auf ein ganzes Array von gleich­artigen Teil­strahlen. Kom­plexe Beugungs­struk­turen sind hierbei ein beson­deres Merkmal des diffrak­tiven optischen Elements. Die Ent­wick­lung solcher High­tech-Optiken beginnt am Computer. Dort werden winzige Glas­muster berechnet, welche die gewünschte Strahl­ver­tei­lung erzeugen. Mit­hilfe eines program­mier­baren Spatial Light Modu­lators werden die errech­neten Struk­turen dann durch pixel­basierte Phasen­anpas­sungen getestet und der erzeugte Strahl mit dem Mikro­skop analy­siert. Nach einigen Itera­tionen werden die opti­malen Struk­turen des diffrak­tiven optischen Elements litho­grafisch in Glas ein­ge­schrieben. Als reine Glas­optiken können diffrak­tive optische Elemente auch mit über hundert Watt starken UKP-Lasern benutzt werden. Neben beugungs­basierten diffrak­tiven optischen Elementen werden auch refrak­tive optische Elemente für die Strahl­formung durch Brechung im Bereich von mehreren hundert Watt ein­ge­setzt.

Mit ihrer hohen Belastbarkeit bringen beugungs­basierte diffrak­tive optische Elementen und refrak­tive optische Elemente ent­schei­dende Vor­teile für die Produk­tivitäts­steige­rung von UKP-Laser­systemen mit. So haben Wissen­schaftler am Fraun­hofer-ILT Optiken ent­wickelt, die aus einem leistungs­starken UKP-Laser­strahl ein ganzes Array von bis zu 196 gleich­artigen Strahlen formen. Aber auch bei der Bearbei­tung mit ein­zelnen Strahlen eröffnen diese optischen Elemente viele Möglich­keiten. Speziell geformte UKP-Laser­strahlen können Ober­flächen struk­tu­rieren, Spannungen in Glas­volumen ein­bringen oder lokal die Brech­zahl ändern. Wissen­schaftler des Fraun­hofer-ILT erforschen gemein­sam mit dem Lehr­stuhl für Laser­technik der RWTH Aachen und Partnern aus der Wirt­schaft die Möglich­keiten der Strahl­formung von UKP-Lasern. Im Rahmen des Forschungs­campus Digital Photonic Pro­duc­tion – einer Förder­initia­tive des Bundes­ministe­riums für Bildung und Forschung – betei­ligen sich seitens der Industrie unter anderem Trumpf und 4JET Techno­logies an diesen Aktivi­täten.

Konkret arbeiten die Partner zum Beispiel an der Bearbei­tung von Glas für Head-up-Displays für die Auto­mobil­branche. Dafür erzeugen die Experten im Projekt „Femto DPP“ mikro­meter­große Stör­stellen im Glas. Diese reflek­tieren LED-Licht unter einem bestimmten Winkel, genau wie es für Head-up-Displays gebraucht wird. Mit dem bei der Bearbei­tung genutzten Laser lassen sich auch Soll­bruch­stellen erzeugen, die für ein späteres schnelles Glas­schneiden kontrol­liert ein­ge­bracht werden. In Zukunft soll die Bearbei­tung auch an beliebig gekrümmten Glas­scheiben funktio­nieren.

Fh.-ILT / RK

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