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Resonante Materialbearbeitung mit (ultra-)kurzen Laserpulsen

Ref-Nr: TA-MBM-CPA-1538-LZH


Kurzfassung

Die Erfindung besteht in der Nutzbarkeit einstellbarer, elektromagnetischer Felder zur Erzeugung von Strukturen mit Dimensionen kleiner als der Laserspot. Dabei wird das Feld, das ein Kurzpulslaser auf einer Werkstoffoberfläche erzeugt mit einem materialabhängigen, externen Feld überlagert, um so eine Resonanzüberhöhung zu erreichen.


Hintergrund

Die Erfindung besteht in der Nutzbarkeit einstellbarer, resonanter, elektromagnetischer Felder zur gezielten Erzeugung von Strukturen mit Dimensionen kleiner als der verwendete Laserspot. Dabei wird das Feld, das ein Ultrakurzpulslaser auf der Oberfläche eines Gegenstands erzeugt, mit einem externen Feld überlagert, um so eine materialspezifische Resonanzüberhöhung zu erreichen.


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Problemstellung

Die kontrollierbare Herstellung von mikro- und nanoskaligen Oberflächenstrukturen ist für viele Industrie- und Forschungszweige sehr interessant. Mit (Ultra-)Kurzpuls-Lasern lassen sich sogenannte LISOS („Laser induzierte selbstorganisierende Strukturen“) heutzutage relativ einfach erzeugen. Da der Prozess in der energetischen Nähe der Abtragsschwelle angesiedelt ist, wird für die Erzeugung dieser LISOS im Allgemeinen zwar nur eine sehr geringe Laserintensität benötigt, für die schnelle Bearbeitung makroskaliger Oberflächen mit mehreren Teilspots sind aber dennoch mittlere Laserleistungen im Kilowattbereich notwendig. Daraus ergeben sich nach derzeitigem Stand der Technik sehr hohe Laseranschaffungs- und Unterhaltskosten und damit eine hohe industrielle Hemmschwelle. Bei resonanter Anregung bildet das elektromagnetische Feld des Lasers stehende Wellen auf der Oberfläche aus. Es kommt zu einer Überhöhung bzw. Verringerung des Feldes an bestimmten Punkten, wodurch sich auch mit kleineren mittleren Laserleistungen die Ablationsschwelle lokal überschreiten lässt. Die entstehenden Strukturen haben Größen im Bereich der weniger Mikro- bis Nanometer und sind somit wesentlich kleiner als der eigentliche Strahldurchmesser. Das reproduzierbare Einstellen der Resonanzbedingung ist jedoch ein, im Allgemeinen recht komplizierter Vorgang, da sie sowohl materialabhängig als auch von der jeweiligen Lasergeometrie abhängig ist.


Lösung

Besonders einfach kann man die Resonanzbedingung erreichen, indem man ein externes elektrisches oder magnetisches (EM) Feld anlegt, das sich dann mit dem EM-Feld des Lasers überlagert. Denn das initial laserinduzierte EM-Feld auf der Materialoberfläche wird durch Anlegen dieses externen EM-Feldes - sei es statisch oder dynamisch - verändert. So hat man direkten Einfluss auf die Form der resonanten Moden und damit auch auf die Strukturparameter wie z.B. deren mittlere Abstände oder deren Höhenprofil. Der Vorteil ist, dass der Laseraufbau für die Bearbeitung unterschiedlicher Materialien nicht verändert werden muss, da die Resonanzanpassung ausschließlich über das externe Feld erfolgt.


Vorteile

Die Resonanzanpassung durch externe Felder macht diverse industrielle Applikationen überhaupt erst wirtschaftlich darstellbar oder zumindest wesentlich kostengünstiger durch:

  • Reduzierung der notwendigen mittleren Laserleistungen
  • Einfache Anpassung und Kontrolle der Resonanzen und damit der Nano- und Mikrostrukturen
  • Erhöhte Produktionsgeschwindigkeit
  • Einsatz preiswerterer Materialien.

Anwendungsbereiche

Einige Anwendungsbereiche der resonanten Laserbearbeitung sind im Folgenden aufgeführt:

  • Verringerung der Reflexion von Halbleitern und somit höherer Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen
  • Erhöhung der Empfindlichkeit von Photodetektoren
  • Vergrößerung der effektiven Oberfläche
    • für katalytische Prozesse (z.B. in der Batterietechnologie zur Vergrößerung der Oberfläche von LiCoO2-Kathoden zur Kapazitätssteigerung von Lithium-Ionen Akkumulatoren)
    • in der Tribologie zur Erzeugung von größeren und ortsvarianten Reibwerten
    • in der Medizin zur ortsvarianten selektiven Mortalität bestimmter Zelltypen
  • Mikroskalige Modifikation von Oberflächeneigenschaften durch Verstärkung von chemischen Reaktionen (z.B. Oxidationen) an Schwingungsbäuchen oder Knoten
  • Funktionalisierung von Oberflächen (z.B. zur Verringerung der Benetzung)
  • Gezielte Erzeugung von Kleinstpartikeln

MBM ScienceBridge GmbH

Dr. Tilmann Götze
0551-30724 159
tgoetze@sciencebridge.de
www.sciencebridge.de
Adresse
Hans-Adolf-Krebs-Weg 1
37077 Göttingen



Entwicklungsstand

Funktionsnachweis


Patentsituation

  • DE 102012025294(A1) anhängig
  • WO 2014102008(A2) anhängig

Stichworte

MBM ScienceBridge GmbH, Technologieangebot, Technologietransfer, Laser Zentrum Hannover e.V., LZH, Solarzelle, Oberfläche, externes Feld, Wirkungsgrad, Resonanz

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TransferAllianz e. V.
Christiane Bach-Kaienburg
(Geschäftsstellenleiterin)

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D-45468 Mülheim an der Ruhr