Laser-Plasma-Hybridreinigungs- /bearbeitungsanlage
Final Report Abstract
Das Forschungsgroßgerät wird für Grundlagenuntersuchungen zur Lasermaterialbearbeitung, Plasma-Oberflächenbehandlung und der unmittelbaren Kombination der beiden Verfahrenskategorien verwendet. Das Forschungsgroßgerät erweitert dabei die an der Einrichtung vorhandenen Verfahren beträchtlich, da es sich um einen bis dahin nicht verfügbaren Ultrakurzpulslaser handelt, der sich einen gemeinsamen Arbeitsraum mit zwei verschiedenen Atmosphärendruck-Plasmaquellen teilt. Diese können simultan oder sequenziell für Experimente zur Oberflächenmodifikation und- bearbeitung eingesetzt werden. Der Schwerpunkt des Interesses im Projektzeitraum lag zum einen auf der kombinierten Laser- und Plasmabearbeitung optischer Materialien, da diese prinzipbedingt nur eingeschränkt mit reinen Laserverfahren bearbeitet werden können. Ein weiterer Aspekt kam der plasmaunterstützten Laserstrukturierung von Materialkompositen zu, die bei einer reinen Laserbearbeitung durch einen selektiven Abtrag der verschiedenen Kompositkomponenten nur eingeschränkt möglich wäre. Im Bereich der Glasbearbeitung wurden verschiedene optische Materialien, wie Quarzglas, Saphir und verschiedene Flint- und Krongläser mittels Plasma von Poliermittelrückständen befreit und im Nano- und Subnanometerbereich geglättet. Hierbei wurden signifikant gesteigerte Zerstörschwellen der Materialien erreicht. Desweiteren wurden die Auswirkungen der so generierten Rauheiten auf das Ablationsverhalten verschiedener optischer Materialien untersucht. Weiterhin wurde das Forschungsgroßgerät zur plasmaunterstützten Oberflächenkonditionierung von Glasoberflächen, mit dem Ziel der definierten Erzeugung flüssiggetropfter Mikrolinsen eingesetzt. All diese Verfahren können potenziell Anwendung bei der Herstellung von Hochleistungs- bzw. Hochpräzisionsoptiken finden. Das zweite im Berichtszeitraum adressierte Arbeitsfeld umfasst die plasmaunterstützte Laserbearbeitung von Materialien und Materialkompositen. Neben der Weiterentwicklung reiner Materialbearbeitungsprozesse wurden Mikrostrukturen erzeugt und Feinsteinigungsprozesse zur Klebevorbereitung entwickelt. Es wurde systematisch die kombinierte Laser- und Plasmabearbeitung von Aluminium, Titan, verschiedenen Hartmetalllegierungen, Gläsern und CFK-Werkstoffen untersucht. Je nach Probenmaterial wurde unter Plasmaeinfluss eine Steigerung des laserinduzierten Materialabtrags um ein Vielfaches beobachtet. Begleitende Untersuchungen zur Partikelgenerierung zeigten jedoch, dass es hierbei zu einer deutlichen Steigerung des Anteils nanoskaliger Residuen kommt, die vom Arbeitsgasstrom weggetragen und durch geeignete Filteranlagen aufgefangen werden müssen. Weiterhin wurden begleitend Untersuchungen zur laserinduzierten Plasmaspektroskopie zur Materialanalyse durchgeführt. Es besteht hiermit beispielsweise die Möglichkeit, unter Ausnutzung des meist ohnehin bei der Materialbearbeitung entstehenden Plasmas Emissionsspektren zu erzeugen, die für das Monitoring des Materialbearbeitungsprozesses nützlich sind. Durch das Forschungsgroßgerät konnte gezeigt werden, dass sich die Emissionsdauern der durch ps-Laserpulse angeregten heißen Plasmen mittels eines zusätzlich applizierten Niedertemperaturplasmas deutlich verlängern lassen. Die somit gewonnenen Emissionsspektren weisen signifikant höhere Signal-Rausch-Verhältnisse auf. Insgesamt konnten durch den Betrieb des Forschungsgroßgerätes Erkenntnisse generiert werden, die über ein deutliches Verwertungspotenzial verfügen. In weiteren Forschungsprojekten soll dieses ausgeschöpft werden, um den Transfer der Forschungsleistung in die Industrie zu ermöglichen.
Publications
- “Atmospheric Pressure Plasma-Enhanced Laser Ablation of Glasses”, in: Laser Ablation: Fundamentals, Methods and Applications, 2015, Chapter: 8 Publisher: Nova Science Publishers. Editors: Christoph Gerhard et al.
Christoph Gerhard, Stephan Brückner, Stephan Wieneke, and Wolfgang Viöl
- „On the Debris Formation during Atmospheric Pressure Plasma-Assisted Laser Engraving of Stainless Steel”, in: Laser Ablation: Fundamentals, Methods and Applications, 2015. Chapter: 9, Publisher: Nova Science Publishers. Editors: Christoph Gerhard et al.
Victor Le Meur, Leander Loewenthal, Christoph Gerhard, Wolfgang Viöl
- „Enhanced processing of coatings on glass surfaces: Introducing atmospheric pressure plasmas to laser processes“, Vakuum in Forschung und Praxis, 2016 28(4):19-22
Christoph Gerhard, Alexander Gredner, Nils Mainusch, Wolfgang Viöl
(See online at https://doi.org/10.1002/vipr.201600614) - „Plasma-Enhanced Laser Materials Processing“, in: Plasma Science and Technology - Progress in Physical States and Chemical Reactions, 2016, Chapter: 2. Publisher: InTech. Editor: Tetsu Mieno
Christoph Gerhard, Wolfgang Viöl, Stephan Wieneke,
(See online at https://doi.org/10.5772/61567) - “Impact of assisting atmospheric pressure plasma on the formation of micro- and nanoparticles during picosecond-laser ablation of titanium”, Applied Optics, 2017 56(12):3365
Stefan Grottker. Wolfgang Viöl, Christoph Gerhard
(See online at https://doi.org/10.1364/ao.56.003365) - „Increase in nanosecond laser-induced damage threshold of sapphire windows by means of direct dielectric barrier discharge plasma treatment”, Optics Letters, 2017 42(1):49
Christoph Gerhard, Daniel Tasche, Norbert Munser, Helene Dyck
(See online at https://doi.org/10.1364/OL.42.000049) - „Atmospheric pressure plasma-assisted femtosecond laser engraving of aluminium“, Journal of Physics D Applied Physics, 2018 51(17)
Christoph Gerhard, Thomas Gimpel, Daniel Tasche, Jennifer Koch, Stephan Brückner, Günter Flachendecker, Stephan Wieneke, Wolfgang Schade, Wolfgang Viöl
(See online at https://doi.org/10.1088/1361-6463/aab6e6)
