Transient Multi-Phase Modelling of Process Dynamics in Ultrafast Laser Ablation of Metals
Final Report Abstract
Ultrakurz gepulste Lasersysteme werden immer stärker in der industriellen Lasermaterialbearbeitung eingesetzt. Der Materialabtrag findet dabei unter sehr geringer thermischer Beeinflussung des Materials statt und hat eine hohe Bearbeitungsqualität zur Folge, wodurch Nachbearbeitungsschritte entfallen können. Die aus der Kurzpulslaserbearbeitung bekannten Wechselwirkungen können nicht auf Ablationsprozess mit ultrakurzen Pulsen übertragen werden, da sich die Interaktionsprozesse zwischen Licht und Materie für kurze und ultrakurze Laserpulse wesentlich unterscheiden. Die Wechselwirkung von ultrakurzen Laserpulsen mit Metallen ist aufgrund der notwendigen Berücksichtigung von auf sehr kurzen Zeitskalen ablaufenden Prozessen komplexer als die klassisch beschreibbaren Wechselwirkungsmechanismen. Am Lehrstuhl für Photonische Technologien wurde ein Simulationsmodell zur Beschreibung der Ablation von Metallen mit kurzen Laserpulsen aufgebaut. Ziel des Projekts war es, dieses bestehende Modell zur Abbildung der Dynamik des Abtragsprozesses von Metallen mit ultrakurzen Laserpulsen weiterzuentwickeln. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine detaillierte Simulation der Wechselwirkung von ultrakurzen Laserpulsen mit Metallen am Beispiel von Kupfer sowie der daraus resultierenden Ablation erstellt. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf einer möglichst realitätsnahen Modellierung der grundlegenden Prozesse unter Berücksichtigung auftretender Effekte auf den jeweilig zugehörigen Zeitskalen. Im Laufe der Entwicklung zeigte sich, dass übliche Näherungen, beispielsweise zur Berechnung der Elektronenwärmeleitfähigkeit, welche sich über größere Zeitskalen hinweg aufheben, auf sehr kurzen Zeitskalen eine erhebliche Änderung der Elektronentemperatur mit sich bringen. Damit können sie zur Beschreibung einer Interaktion mit Beteiligung ultrakurzer Pulse nicht verwendet werden. Über den Antrag hinausgehend wurden relevante Effekte wie beispielsweise der Einfluss von sowohl Interband- Übergangen als auch ballistischer Elektronen auf die Beschreibung des Energieeintrags in das Werkstück implementiert. Es wurden die thermischen Prozesse, das Absorptionsverhalten und die Ablation von Kupfer numerisch beschrieben. Die Ergebnisse wurden an geeigneten Stellen mit Hilfe von Literatur oder anhand experimenteller Arbeiten validiert. Das entstandene Modell kann für Einzelpulse den Ablationsprozess von Metallen vorhersagen, dessen Effizienz analysieren und bietet ein weites Feld für mögliche Weiterentwicklungen. Damit stellt das entwickelte Modell einen entscheidenden Schritt in Richtung einer bisher nicht möglichen vollständig simulationsbasierten Prozessauslegung der Bearbeitung von Metallen mit ultrakurzen Laserpulsen dar.
