Technologie

Geometriefreiheit im Glas

21.07.2022 - Lasergefertigte 3D-Mikrostrukturen für komplexe photonische Komponenten.

Glas ist ein faszi­nie­render Werkstoff: Er ist transparent und ermöglicht die Bearbeitung im Volumen. Die material­durch­dringende Laser­strahlung ermöglicht dabei eine weit­gehende Geometrie­freiheit in 3D und die Bearbeitung unter­schied­licher trans­parenter Materialien. Die Heraus­forderung steckt im Detail: Um riss- und bruchfreie Ergebnisse zu bekommen sind genaue Kenntnisse der Material­eigen­schaften und Bearbeitungs­prozesse nötig. Im Projekt „LAR3S – Laser­generierte drei­dimen­sionale photonische Komponenten“ wollen jetzt das MPI für die Physik des Lichts, das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik und das Fraunhofer-Institut für Silicat­forschung ihr spezielles Know-how einsetzen, um gemeinsam das Prozess­wissen zu erweitern und neue Technologien für die Fertigung verschiedener 3D-Strukturen mit dem Laser zu entwickeln.

Vor dreißig Jahren wurde die Idee, Glasfasern mit Löchern über die ganze Länge zu produzieren, noch belächelt. Ein Team unter der Leitung des inzwischen emeritierten Direktors des MPL, Philip Russell, hat dafür eine Technologie entwickelt, bei der Glasstäbe oder -rohre zusammen­gelegt und in die Länge gezogen werden. So lassen sich heute Glasfasern mit bestimmten Querschnitten ziehen, auch Stack-and-draw Verfahren genannt. Mit struktu­rierten Hohlkern-Fasern können unter anderem sehr intensive Laser­strahlen übertragen werden, die Vollfasern zerstören würden.

Der Aufbau strukturierter Fasern ist mit dem Stack-and-draw-Verfahren meist auf eine hexagonale Geometrie beschränkt. Am Fraunhofer-ILT wird ein patentiertes Verfahren weiter­ent­wickelt, mit dem komplexere und damit möglicher­weise vorteil­haftere Strukturen völlig automatisiert gefertigt werden können: das Inverse Laser­strahl­bohren. Dabei wird die Laser­strahlung durch ein trans­parentes Bauteil hindurch auf die Rückseite fokussiert und mittels eines Scanners über die abzutragende Fläche bewegt. Der Laser bohrt also rückwärts ein Loch in das Glas. So lassen sich fast beliebige Strukturen mit großen Aspekt­ver­hältnissen in den Faserrohling einbringen, auch andere trans­parente Materialien stellen kein Problem dar. In Zukunft sollen die Strukturen mit künstlicher Intelligenz am Computer berechnet und mit dem Laser direkt umgesetzt werden.

Vom Fraunhofer-ISC kommt dabei eine wesentliche Kompetenz für die Prozess­führung: Das Entfernen der abgetragenen Reststoffe aus den Bohrlöchern. Hierfür werden zusammen mit den Projekt­partnern die Laser­parameter optimiert sowie physikalische oder chemische Methoden zur Prozess­optimierung entwickelt. Ziel sind Strukturen mit maßge­schneiderten dispersiven Eigenschaften in über zweihundert Millimeter langen Faser­vorformen.

Ein anderes Verfahren für die Mikro­material­bearbeitung ist das selektive laser­induzierte Ätzen. Dabei wird ein trans­parenter Werkstoff mithilfe von fokussierter ultrakurz gepulster Laser­strahlung im Volumen und an den Oberflächen rissfrei strukturiert und dadurch die chemischen Eigenschaften so verändert, dass er selektiv ätzbar wird. Durch die Auslenkung des Fokus im Werkstück werden zusammen­hängende Bereiche modifiziert. Diese können im zweiten Prozess­schritt durch nass­chemisches Ätzen entfernt werden. Auch dieser zweigeteilte Prozess ermöglicht eine hohe Geometrie­freiheit.

Die Projektpartner wollen das Verfahren vor allem für neue Geometrien in der Herstellung von Laser-Mikro­resonatoren optimieren. Solche Submillimeter-Strukturen lassen sich beispiels­weise in der Tele­kommu­nikation und der Quanten­technologie anwenden. Als Koppler, Konverter oder Sensoren ermöglichen sie die weitere Miniatu­ri­sierung und Integration optischer Komponenten.

Fh.-ILT / RK

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