Fraunhofer-Forscher kombinieren erstmals einen Laser- und einen Plasmastrahl.
Fraunhofer IST
Fraunhofer-Forscher haben erstmals einen Laser- und einen Plasmastrahl kombiniert, um Mikrostrukturen in Gläser einzubringen. Erste Ergebnisse zeigen: Der Herstellungsprozess wird dadurch präziser und effizienter.
Ob in Handys, hochwertigen Kameras oder elektronischen Fahrerassistenzsystemen: In allen drei finden sich winzige optische Bauteile aus Glas, die mit Mikrostrukturen versehen sind. In der Regel kommt Lasertechnik zum Einsatz, um die extrem feinen Strukturen in die Glasoberfläche einzubringen. Da Glas transparent ist, wird die Laserbearbeitung jedoch zur 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.
Strukturierung mit weniger Energie
Daher haben sich die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST etwas Neues überlegt: 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 Professor 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, erklären die Forscher. 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.
Hybridtechnik für präzise Bearbeitungsergebnisse
Neu sei die Kombination mit Lasertechnik: 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", erklärt Viöl.
Bei heutigen Standardverfahren komme beim Bearbeiten von Glas entweder ein UV- oder ein Infrarot-Laser zum Einsatz, um die nötige Absorption zu erreichen. Beide Vorgehensweisen hätten jedoch Nachteile: Während Infrarot-Laser recht ungenau sind, fallen bei UV-Lasern hohe Betriebskosten an. Die Laser-Plasma-Hybridtechnik liefere dagegen nicht nur präzise Bearbeitungsergebnisse, sondern sei auch wirtschaftlich attraktiv.
Hybrider Ansatz auch für andere Werkstoffe interessant
Das neue Verfahren habe sich in Tests bei unterschiedlichsten Gläsern bereits bewährt und wurde nun zum Patent angemeldet, erklären die Forscher.
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.
In einem nächsten Schritt wollen 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.