09 Aug Geometriefreiheit im Glas: Lasergefertigte 3-D-Mikrostrukturen
Der Werkstoff Glas ist transparent und ermöglicht die Bearbeitung im Volumen. Die materialdurchdringende Laserstrahlung als Werkzeug bietet dabei eine weitgehende Geometriefreiheit in 3-D. Die Herausforderung steckt im Detail: Um riss- und bruchfreie Ergebnisse zu bekommen, sind genaue Kenntnisse der Materialeigenschaften und Bearbeitungsprozesse notwendig.
Im Projekt ‚LAR3S – Lasergenerierte dreidimensionale photonische Komponenten – Resonante und Antiresonante Bauelemente zur Formung und Führung von Licht‘ wollen drei Institute der Fraunhofer- und der Max-Planck-Gesellschaft ihr Know-how einsetzen, um gemeinsam das Prozesswissen zu erweitern und neue Technologien für die Fertigung verschiedener 3-D-Strukturen mit dem Laser zu entwickeln. Mit dabei sind das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC.
Laserbohren in Glasfasern
Vor 30 Jahren wurde die Idee, Glasfasern mit Löchern über die ganze Länge zu produzieren, noch ungläubig belächelt. Ein Team unter der Leitung des inzwischen emeritierten Direktors des MPL, Philip Russell, hat dafür eine Technologie entwickelt, bei der Glasstäbe oder -rohre zusammengelegt und in die Länge gezogen werden. So lassen sich heute Glasfasern mit bestimmten Querschnitten ziehen, auch Stack-and-draw-Verfahren genannt. Mit strukturierten Hohlkern-Fasern können unter anderem sehr intensive Laserstrahlen übertragen werden, die Vollfasern zerstören würden.
Der Aufbau strukturierter Fasern ist mit diesem Verfahren meist auf eine hexagonale Geometrie beschränkt. Am Fraunhofer ILT wird ein Verfahren weiterentwickelt, mit dem komplexere und damit möglicherweise vorteilhaftere Strukturen völlig automatisiert gefertigt werden können: das inverse Laserstrahlbohren. Dabei wird die Laserstrahlung durch ein transparentes Bauteil hindurch auf die Rückseite fokussiert und mittels eines Scanners über die abzutragende Fläche bewegt. Der Laser bohrt gewissermaßen rückwärts ein Loch in das Glas. So lassen sich fast beliebige Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in den Faserrohling einbringen, auch andere transparente Materialien sollen kein Problem darstellen. In Zukunft sollen die Strukturen mit Künstlicher Intelligenz am Computer berechnet und mit dem Laser direkt umgesetzt werden.
Für Hohlstrukturfasern mit neuen Geometrien werden Verfahren für die Herstellung von Vorformen entwickelt. Bild: Fraunhofer ILT
Vom Fraunhofer ISC kommt dabei eine wesentliche Kompetenz für die Prozessführung: Das Entfernen der abgetragenen Reststoffe aus den Bohrlöchern. Hierfür werden zusammen mit den Projektpartnern die Laserparameter optimiert sowie physikalische oder chemische Methoden zur Prozessoptimierung entwickelt. Ziel sind Strukturen mit maßgeschneiderten dispersiven Eigenschaften in über 200 mm langen Faservorformen.
Selektives laserinduziertes Ätzen
Ein anderes Verfahren für die Mikromaterialbearbeitung ist das selektive laserinduzierte Ätzen. Dabei wird ein transparenter Werkstoff mittels fokussierter ultrakurz gepulster Laserstrahlung im Volumen und an den Oberflächen rissfrei strukturiert und dadurch die chemischen Eigenschaften so verändert, dass er selektiv ätzbar wird. Durch die Auslenkung des Fokus im Werkstück werden zusammenhängende Bereiche modifiziert. Diese können im zweiten Prozessschritt durch nasschemisches Ätzen entfernt werden. Auch dieser zweigeteilte Prozess ermöglicht eine hohe Geometriefreiheit.
Für Kommunikations- und Quantentechnologie
Die Projektpartner wollen das Verfahren vor allem für neue Geometrien in der Herstellung von Laser-Mikroresonatoren optimieren. Solche Sub-Millimeter-Strukturen lassen sich beispielsweise in der Telekommunikation und der Quantentechnologie anwenden. Als Koppler, Konverter oder Sensoren ermöglichen sie die weitere Miniaturisierung und Integration optischer Komponenten.
Das Projekt LAR3S mit einer Laufzeit von drei Jahren wird im Rahmen des Fraunhofer-Max-Planck-Kooperationsprogramms gefördert.
Quelle: www.ilt.fraunhofer.de
Bild: mpl.mpg.de
Weiterer Kooperationspartner: www.isc.fraunhofer.de
