Präzision durch ultrakurze Pulse

Kaum ein Produkt, das heute ohne Bildschirm oder Display auskommt. Bisherige Systeme für deren homogene Hintergrundbeleuchtung basieren auf einer großen Anzahl von LEDs und Streuscheiben, mit denen die punktuell hohen Leuchtdichten verteilt werden. Alternativ dazu werden zunehmend kompaktere und individuell auf den Lichtbedarf einstellbare Lichtleiter eingesetzt. Sie bestehen aus aufgerauten oder strukturierten Flächen, die für eine refraktive Lichtauskopplung sorgen und dadurch das Licht homogen verteilen.

Für die refraktive Lichtauskopplung werden Mikrolinsen-Arrays verwendet, die aus einigen 100 000 Mikrolinsen mit Geometrien im Mikrometerbereich bestehen können. In der Fertigung solcher Strukturen ist eine hohe und gleichbleibende Qualität entscheidend. Sie wird maßgeblich durch die Qualität der Spritzgusswerkzeuge definiert. Forscher des Aachener Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT) haben ein Verfahren entwickelt, um die Werkzeuge für die Mikrolinsenstrukturen schnell und hochpräzise herzustellen. Ultrakurze Laserpulse ermöglichen eine extrem präzise und schnelle Bearbeitung der Tools.

Die Wissenschaftler haben das Verfahren signifikant verbessert. Mit neuen industrietauglichen Ultrakurzpulslasern schafften sie Bearbeitungen in einigen Stunden, die mit konventionellen Methoden eine Woche gedauert hätten. Außerdem ermöglicht der Ultrakurzpulslaser eine extrem hohe Präzision der Bearbeitung. Die Pikosekundenpulse sind nur etwa ein Tausendstel so lang wie bei konventionellen gütegeschalteten Festkörperlasern, die beispielsweise zum Beschriften eingesetzt werden. Während konventionelle Systeme noch einen Schmelzauswurf erzeugen, verdampft der Ultrakurzpulslaser das Material hochpräzise und rückstandsfrei. Durch anschließendes Polieren mittels Laser enstehen glatte, gleichmäßige Werkzeugoberflächen bis in den Submikrometerbereich, mit Ra-Werten ab etwa 100 nm.

Für die Versuche verwendeten die Forscher kommerzielle Systeme mit einem Fokusdurchmesser von 20 µm, einigen 10 µJ Pulsenergie und einer Repetitionsrate, die über 100 kHz lag. Damit wurden Werkzeuge für Mikrolinsen mit einem Durchmesser von 50 µm und größer hergestellt. Während kommerzielle Systeme bisher nur im Bereich unterhalb 100 W erhältlich sind, haben die Wissenschaftler am ILT Prototypen mit über 1000 W mittlerer Leistung entwickelt.

Als weitere Beispiele für den Einsatz des Verfahrens nennen die Forscher die Hintergrundbeleuchtung von Fahrzeug-Instrumenten sowie tribologische Anwendungen. So lassen sich mit dem Verfahren etwa die Gleitreibeigenschaften von Kolbenringen verbessern. Auch hier liegt der Vorteil gegenüber bisherigen Verfahren in der Präzision und darin, dass kein Randaufwurf entsteht. hw