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Femtosekundenlaser ermöglichen seit den 90er Jahren eine hochpräzisere Verarbeitung von Materialien bis hin zu Nano- und Mikroskalen, aber ihre Produktion ist langsam und kostspielig. Forscher Optische Gruppe (GROC) von der Universitat Jaume I in Castelló haben eine neuartige Parallelverarbeitung entwickelt, die es ermöglicht, die Produktionskapazität dieser Laser um ein Hundertfache zu vervielfachen, die Leistung zu verbessern, Zeit und Produktionskosten zu reduzieren und die Nutzung der Laserenergie zu optimieren. Die Bedeutung des Fortschritts hat ihn dazu geführt, dass er die Optics & Photonics News, die Referenz-Veröffentlichungsmagazin in seinem Feld, herausgegeben von der Optical Society of America.

Die Lasertechnologie ermöglicht die Verarbeitung von Materialien, d.h. lokal ihre Eigenschaften mit mikrometrischer Genauigkeit (ein Hundertstel der Größe eines Haares) oder sogar Nanometer. Dies gilt beispielsweise für Mikrochips oder Stents, die im arteriellen System implantiert werden und mit Lasertechnologie hergestellt werden, da hohe Präzisionsanforderungen erfüllt sind, damit sie ordnungsgemäß funktionieren können. Jesus Lancis, Direktor der GROC Optikgruppe, betont, dass der erreichte Fortschritt die Leistungsfähigkeit dieser Technologie erheblich verbessern wird, indem es ermöglicht wird, das Material gleichzeitig an mehreren Standorten zu verarbeiten, und darüber hinaus ohne Verlust an Präzision. Beide Fakten sind der Schlüssel zur Steigerung der Produktionsrate der Lasertechnologie, wodurch die Produktionskosten gesenkt und ihre schrittweise Einführung in verschiedenen Sektoren ermöglicht wird, die bisher traditionellere Produktionsmechanismen nutzen.

Die von der UJI entwickelte parallele Verarbeitungsmethode ermöglicht es, den Strahl in eine Reihe von Mehrfachstrahlen zu teilen, indem man das als kompensiertes Zerkleinerungsmodul bezeichnete, das sich als wirksam erwiesen hat, um gleichzeitig 52 Blindbohrungen mit einem Durchmesser von weniger als 5 μm in eine Probe aus rostfreiem Stahl zu erzeugen. ● Diese Untersuchung zeigt, dass wir ohne Qualitätsverlust die Produktionsgeschwindigkeit um einen Faktor von 52 oder sogar 100 erhöhen können, indem wir die Parameter des HGÜ-Systems ändern, erklärt die Forscherin von GROC Gladys Minguez-Vega.

Das Programm Horizont 2020, das die wichtigsten Herausforderungen für die Wissenschaft in Europa in den kommenden Jahren aufgreift, unterstreicht die Schlüsselrolle, die die Lasertechnologie bei der Verbesserung bestimmter industrieller Produktionsprozesse spielen muss, vor allem in Fällen, in denen Qualität und Oberflächenbearbeitung der Teile von grundlegender Bedeutung sind. Die Verarbeitung von Materialien mit Licht ermöglicht ein hohes Maß an Automatisierung und Flexibilität in den industriellen Prozessen sowie die Herstellung von Komponenten und Produkten von außergewöhnlicher Qualität und in einer viel nachhaltigeren Weise im Vergleich zu anderen Verarbeitungstechnologien. Die Lasertechnologie ist eine saubere Technologie, die die Anzahl der Rückstände in den Herstellungsprozessen minimiert, aber nicht nur in der industriellen Fertigung: Die Photonik bringt auch Fortschritte in vielen Bereichen wie Gesundheit, Beleuchtung und Nachhaltigkeit mit sich.

Eine Technologie mit unendlichen Möglichkeiten

Die Lasertechnologie wurde in den 80er Jahren des vergangenen Jahrhunderts entwickelt. Zunächst handelte es sich jedoch um Dauerstrichlaser, die weder die Bearbeitung von Materialien im Mikromaßstab noch eine hohe Qualität ermöglichten. In den 90er Jahren erschien der gepulste Femtosekundenlaser, der mit programmierten Pulsen in extrem kurzen Zeitabständen arbeitet. Dadurch kann sich Licht ansammeln, sodass die bei der Freisetzung des Strahls abgegebene Energie wesentlich größer ist. Diese Technologie ermöglicht eine höhere Präzision und Qualität, erklärt Mínguez-Vega: „Solche Laser werden beispielsweise bei manchen chirurgischen Eingriffen eingesetzt, um weniger invasive, örtlich begrenztere und präzisere Schnitte zu erreichen, oder zur Mikrobearbeitung unterschiedlichster Materialien, einschließlich biologisch abbaubarer Stoffe. Wegen der sehr kurzen Einwirkungszeiten und der hohen Energie verhindern Femtosekundenlaser auch, dass sich Wärme über den Zielpunkt hinaus ausbreitet. Deshalb können sie sogar zum Schneiden von Explosivstoffen verwendet werden.“

Die Tatsache, dass die Energie so konzentriert ist, führt dazu, dass sie sogar abgemildert werden muss. Um dies zu vermeiden, werden Filter verwendet, die Licht abschalten, bis sie auf die richtige Energie reduziert werden. Die von der UJI entwickelte Matrix ermöglicht es, den Strahl zu teilen, indem sie die Lichtpunkte multipliziert und gleichzeitig die Energie der einzelnen Lichtpunkte reduziert. ● Zurzeit muss ein Teil mit einem Femtosekundenlaser mikromechanisiert werden, um den Laser oder das Material zu scannen, so dass die Produktion Punkt für Punkt durchgeführt werden muss. Die auf dem castellonensischen Campus entwickelte Matrix teilt die Vorgänge auf, indem sie ihre Wirksamkeit behält, wodurch es möglich ist, Dutzende von verschiedenen Teilen gleichzeitig zu mikromechanischen, bis zu 100% vervielfachenden Systemgeschwindigkeiten und damit Kostensenkungen zu ermöglichen.

Die Zeitschrift, die von der Optical Society of America, der weltweit bedeutendsten Optikgesellschaft, herausgegeben wurde, widmet in ihrer Ausgabe vom Mai das Titelbild des optischen Systems, das in der UJI für Femtosekundenlaser entwickelt wurde. In einem umfassenden Bericht über die jüngsten Fortschritte bei ultraschnellen pulsierenden Lasern werden die Fortschritte der GROC Optik-Gruppe der UJI, die zuvor in der wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht wurden, vorgestellt. Optics Express.

Bibelreferenzen

- S. Torres-Peiró, J. González-Aussejo, O. Mendoza-Yero, G. Minguez-Vega, P. Andreas und J. Lancis (December 2013). "Parallel laser micromachining based on diffractive optical elements with dispersion compensated femtosecond pulses”. Optics Express, Vol. 21, nein. 26. 

-"Ultrafast and Ultrashort: Some Recent Advances in Pulsed Lasers." Optics & Photonics News. Mai 2014. 

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