Optatec 2014

Laser und Plasma als Powerteam

Forschung Kompakt / 30.4.2014

Mit Laserstrahlen lassen sich kleinste Mikrostrukturen in Materialien einbringen. Bei transparenten Werkstoffen wie Glas ist dazu jedoch viel Energie nötig. Forscher haben eine effizientere Lösung gefunden: Sie kombinieren den Laser mit einem Plasmastrahl.

© Foto Fraunhofer IST

Fraunhofer-Forscher kombinieren erstmals einen Laser- und einen Plasmastrahl, um Mikrostrukturen in Gläser einzubringen. Erste Ergebnisse zeigen: Der Herstellungsprozess wird dadurch präziser und wirtschaftlicher.

Sie finden sich im Handy genauso wie in hochwertigen Kameras oder elektronischen Fahrerassistenzsystemen: winzige optische Bauteile aus Glas, die mit Mikrostrukturen versehen sind. In der Regel kommt Lasertechnologie zum Einsatz, um die extrem feinen Strukturen in die Glasoberfläche einzubringen. Da Glas transparent ist, wird die Laserbearbeitung jedoch zur echten Herausforderung: Ist die Energiedichte des Lasers zu gering, wird zu wenig Strahlung absorbiert, um einen Effekt zu erzielen. Ist die Leistungsdichte sehr hoch, kommt es wiederum oft zu unerwünschten Nebeneffekten wie Verschmutzungen durch Abtragungsreste.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST gehen jetzt einen völlig neuen Weg: Sie koppeln beim Strukturierungsprozess ein Atmosphärendruckplasma in den Laserstrahl ein. »Mit dieser Laser-Plasma-Hybridtechnologie ist es uns gelungen, die Strukturierung mit weitaus weniger Energie durchzuführen«, erklärt Prof. Wolfgang Viöl, Leiter des Anwendungszentrums für Plasma und Photonik am IST in Göttingen.

Unter einem Plasma versteht man ein reaktives Gas, das aus frei beweglichen energiereichen Elektronen, Ionen und Neutralteilchen besteht. Entspricht der Druck in diesem Gasgemisch ungefähr dem der Umgebung, spricht man von einem Atmosphärendruck- oder Normaldruckplasma. In der Natur kommt Plasma beispielsweise in Gewitterblitzen vor. In der Bauteilebearbeitung werden Plasmen heute oftmals eingesetzt, um Oberflächen zu veredeln oder zu modifizieren.

Hybridtechnologie für präzise Bearbeitungsergebnisse

Neu ist die Kombination mit Lasertechnologie: Um dieses Verfahren zu realisieren, haben die Wissenschaftler eine Plasmaquelle konzipiert, die erstens ein kaltes Plasma liefert und zweitens einen sehr feinen Strahl erzeugt, der sich unkompliziert in den Laserstrahl einkoppeln lässt. »Dieser Plasmastrahl bewirkt, dass die Laserstrahlung besser absorbiert werden kann, so dass wir das Glas mit relativ geringer Laserenergie bearbeiten können«, so Viöl. Bei heutigen Standardverfahren kommt beim Bearbeiten von Glas entweder ein UV- oder ein Infrarot-Laser zum Einsatz, um die nötige Absorption zu erreichen. Beide Vorgehensweisen haben jedoch Nachteile: Während Infrarot-Laser recht ungenau sind, fallen bei UV-Lasern hohe Betriebskosten an. Die Laser-Plasma-Hybridtechnologie liefert dagegen nicht nur präzise Bearbeitungsergebnisse, sondern ist auch wirtschaftlich attraktiv.

Das neue Verfahren hat sich in Tests bei unterschiedlichsten Gläsern bereits bewährt und wurde nun zum Patent angemeldet. Das Anwendungsspektrum ist groß: Mikrooptiken aus Glas benötigt man in der Telekommunikation genauso wie in der Unterhaltungselektronik oder Sicherheitstechnik. Kleine, mit bloßem Auge nicht sichtbare Mikrostrukturen in Gläsern können darüber hinaus als Plagiatsschutz für hochwertige optische Bauelemente dienen.

Auf der Optatec, der internationalen Fachmesse für optische Technologien, zeigen die Forscher vom 20. bis 22. Mai in Frankfurt einige Glasexponate, die mit dem neuen Verfahren strukturiert wurden, sowie eine Plasmaquelle, wie sie zur Bearbeitung zum Einsatz kommt (Halle 3, Stand D50).

In einem nächsten Schritt möchten die Göttinger Wissenschaftler ihren hybriden Ansatz auch auf andere Werkstoffe – etwa Metalle, Keramiken oder Kunststoffe – ausweiten. Der simultane Einsatz von Laser und Plasma könnte etwa neue Bearbeitungs- oder Beschichtungsverfahren ermöglichen – auch bei temperaturempfindlichen Materialien wie Textilien oder sogar Papier.