Mit ihrer enormen Leistungsdichte können Laserstrahlen Stahlplatten schweißen und schneiden, Werkstücke polieren oder im 3D-Druck ganze Motorblöcke Schicht für Schicht aus Metallpulver aufbauen. Hoch reflektiernde Schichten machen es möglich, für die präzise Bahnsteuerung Mikrospiegel-Scanner in MEMS-Technologie einzusetzen.
Mit seinen filigranen Antriebsstrukturen wirkt der Mikrospiegel-Scanner, als würde er sich beim ersten Laserpuls in Rauch auflösen. Doch dank eines mehrlagigen optischen Schichtsystems werden bei einer genau festgelegten Lichtwellenlänge über 99.9% der eingestrahlten Laserleistung reflektiert, so dass die Materialbearbeitung per Laserstrahl ermöglicht wird.
MEMS – Mikro-Elektro-Mechanische Systeme – werden wie ein mikroelektronischer Chip aus einem Stück Silizium mit Methoden der Halbleitertechnologie hergestellt. Allerdings wird Silizium hier als mechanisches Material verwendet und nicht als Halbleiter: Dank ihrer hohen Elastizität können die kristallinen Strukturen zu Biegefedern in Mikrometer-Abmessungen verarbeitet werden. Mittels fotolithografischer Strukturierung und einer Vielfalt an Beschichtungs- und Ätzverfahren werden Antriebselemente hergestellt, durch die eine Spiegelfläche in einer oder zwei Richtungen ausgelenkt werden kann. Beispielsweise sorgen piezoelektrische Schichten dafür, dass sich eine Biegefeder auslenkt, sobald man eine elektrische Spannung anlegt. Auch wenn die Schichtdicken meist nur tausendstel Millimeter betragen, können sie einen Spiegel durch resonantes Aufschwingen tausende Male pro Sekunde um bis zu 45° zu jeder Seite kippen und somit einen optischen Scan-Winkel von 180° erreichen.
Zur Materialberbeitung wird die Laserleistung über eine große Spiegelfläche verteilt. Die große optische Apertur ermöglicht eine scharfe Fokussierung auf das Werkstück. Im Projekt LAMM (Large Aperture MEMS Scanning Mirrors) wurden Spiegelflächen bis 2 cm Durchmesser entwickelt und auf der LASER World of Photonics in 2015 vorgestellt. Ohne eine hoch reflektierende Beschichtung könnte die absorbierte Wärme nicht abgeführt werden und der Spiegel würde sofort zerstört. Damit dies nicht passiert, müssen über 99,9% des Lichts bei der Laserwellenlänge reflektiert werden. Dank ihrer Beschichtungen hielten 8 mm-Spiegel Dauerstrich-Lasern (1064 nm) bis zu 600 W Leistung, je nach Design sogar bis 2 kW stand.
Im aktuellen Projekt CAPS (Cluster of Excellence Advanced Photon Sources) wurde das Schichtsystem für Ultra-Kurzpulslaser (um 1030 nm) optimiert. Leistungen von durchschnittlich 340 W wurden erfolgreich validiert. Bei einer Repetitionsrate von 400 kHz und Pulsdauern von 2 ps mit je 1 mJ Energieeintrag traten Schädigungen erst ab 1,75 J/cm² Energiedichte auf. – Der Fraunhofer Forschungscluster CAPS zielt auf neue Schlüsseltechnologien für die Industrie von morgen, wie höhere Laserleistung, neue Konzepte zur Strahlformung und Multistrahl-Bearbeitung von Werkstücken. Durch Kombination von MEMS- und Galvanometerscannern kann z.B. eine schnelle Oszillation über die Bearbeitungsbahn gelegt werden, um die Energieverteilung zu optimieren.
Die MEMS-Scanner des Fraunhofer ISIT können je nach Anwendung verschieden große Spiegelfläche haben, zirkulär oder linear scannen oder auch als Vektorscanner für beliebige Trajektorien ausgelegt sein. Dabei ist stets kundenspezifsch ein Trade-Off zwischen Aperturgröße, Scanwinkel und Geschwindigkeit zu finden. Das Fraunhofer ISIT fertigt die MEMS-Scanner im eigenen Reinraum und verwendet mechanische und optische Simulationstechniken, um eine zuverlässige Voraussage über die zu erwartenden Systemeigenschaften und Strahlqualitäten zu ermöglichen. Hochreflektierende Schichtsysteme können von anderen Fraunhofer-Instituten oder auf Wunsch auch von externen Dienstleistern aufgetragen werden.
Das ISIT stellt seine Mikrospiegel-Scanner auf der LASER World of Photonics vom 27. bis 30. Juni 2023 in Halle A2 am Stand 415 der Fraunhofer-Gesellschaft vor.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie
