Einzelpulsgenaue Echtzeit-Positionierung mit Ultrakurzpulslasern
BMBF-Verbundprojekt ScanLine: Neuartige, hochpräzise Steuerungsarchitektur synchronisiert Laser mit mehreren Ablenkeinheiten.
Ultrakurze Laserpulse mit Dauern von einigen Femtosekunden bis hin zu wenigen Pikosekunden erlauben neue Bearbeitungsverfahren, die mit konventionellen Werkzeugen nicht möglich sind. Wesentliches Merkmal der Laserblitze sind hohe Spitzenintensitäten, die auf Grund der starken zeitlichen Kompression bereits mit geringen Pulsenergien erreicht werden können. Dies ermöglicht sowohl einen präzisen Materialabtrag als auch die Bearbeitung temperatursensibler Materialien ohne thermische Schädigung.
Abb.: Strukturierung mittels Pikosekundenlaser. (Bild: ARGES GmbH)
Um diese Vorzüge der Ultra-Kurzpulslaser auch effektiv nutzen zu können, ist es wichtig, jeden einzelnen Laserpuls präzise abzulenken und reproduzierbar mittels sogenannter Scanner auf dem jeweiligen Werkstück zu positionieren.
Hohe Pulswiederholrate mit einigen Tausend bis zu einigen Million Schuss pro Sekunde stellen hohe Ansprüche an die Geschwindigkeit und Präzision der elektro-mechanischen Ablenkeinheiten. Mit zunehmender Geschwindigkeit treten hier z.B. auf Grund der Trägheit Schleppfehler oder Pulsüberlapp auf, die es zu kompensieren gilt. Bisher führt dies meist dazu, dass Pulse verworfen werden müssen und somit die theoretisch mögliche Bearbeitungsgeschwindigkeit nicht erreicht wird.
Die Pulswiederholrate wird in der Regel vom Laserresonator bestimmt und kann nur bedingt von außen vorgegeben werden. Häufig weist diese zusätzlich noch eine statistische Schwankung auf, welche die Synchronisation mit den Ablenkeinheiten erschwert. Darüber hinaus müssen alle Komponenten, welche den Strahlengang des Lasers festlegen, auch noch die hohen Pulsspitzenleistungen aushalten, um lange Standzeiten in der Anwendung und somit einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen.
Der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbund „ScanLine“ versucht eine neuartige Steuerungsarchitektur zu entwickeln, die es ermöglichen wird, sowohl den Laser als auch mehrere Ablenkeinheiten zu synchronisieren. So sollen verschiedene Ablenksysteme kombiniert und ihre jeweiligen Vorteile ausgenutzt werden. Der Schleppfehler, welcher bei mechanischen Scannern bei schnellen Bewegungen auftritt, könnte sich beispielsweise durch zusätzliche kleine, aber schnellere Ablenkungen durch elektro-optische Kristalle kompensieren lassen.
Mit Hilfe dieser Technologie soll erstmalig für Laser mit hohen Pulsfolgefrequenzen im Megahertz-Bereich eine präzise synchronisierte Bewegung von mechanischen- und die Ansteuerung von elektro-optischen Strahlpositioniereinheiten mit der Möglichkeit einer phasenstarren Kopplung zu einem extern vorgegebenen Laseroszillator verwirklicht werden.
Das BMBF-Verbundprojekt ist am 01. April 2012 gestartet und läuft im Rahmen der BMBF-Initiative „Ultrakurzpulslaser für die hochpräzise Bearbeitung“ über einen Zeitraum von drei Jahren bis zum 31. März 2015. Das BMBF unterstütz die Arbeiten des Projekts mit knapp 3,2 Millionen Euro.
Am Ende dieses Projekts sollen Controller, Optiken, Optoelektroniken, Schnittstellen und Mechaniken erarbeitet werden, die für die Umsetzung in verschiedenen Demonstratoren der einzelnen Partner angepasst und integriert werden.
BMBF / PH
