Leitfaden zu Femtosekundenlasern

Was ist ein Femtosekundenlaser?

Ein Femtosekundenlaser ist eine Art ultraschneller Laser, der optische Impulse mit einer Impulsdauer von wenigen Femtosekunden bis zu Hunderten von Femtosekunden aussendet. Eine Femtosekunde entspricht einem Billiardstel einer Sekunde. Jeder Femtosekunden-Laserimpuls dauert nur wenige Billiardstel einer Sekunde und bietet damit hohe Präzision in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen.

Dieser Lasertyp wird wegen seiner unübertroffenen Präzision und Vielseitigkeit geschätzt. Femtosekundenlaser kommen in verschiedenen Fertigungsprozessen, medizinischen Verfahren und in der wissenschaftlichen Forschung zum Einsatz, wo ihre extreme Präzision und ihre einzigartigen Eigenschaften dazu beitragen, thermische Schäden an umgebenden Substraten oder biologischem Gewebe zu minimieren und eine beispiellose Messgenauigkeit zu ermöglichen.

Wie funktioniert ein Femtosekundenlaser?

Femtosekundenlaser emittieren Licht in kurzen Impulsen statt als kontinuierliche Welle. Diese Laser bündeln Energie auf einer sehr kurzen Zeitskala innerhalb eines Laserimpulses. Dies führt zu hohen Spitzenleistungen, die weit über die von Dauerstrichlasern erreichbaren Leistungen hinausgehen.

Der optische Resonator eines Femtosekundenlasers fängt Licht ein, das entsprechend der Resonanzbedingung eine bestimmte Anzahl von stehenden Wellen bildet, die sich in ihrer Wellenlänge unterscheiden. Je breiter das Spektrum des Laserlichts ist, desto mehr stehende Wellen oder Moden existieren im Inneren eines Laserresonators. Die Anzahl der Moden hängt auch vom Spektralbereich des Verstärkungsmediums der Femtosekundenlaser ab.

Modenkopplung

Die Technik, mit der ein Laserpuls im Resonator erzeugt wird, wird als Modenkopplung bezeichnet. Typischerweise schwingen alle diese Resonatormoden unabhängig voneinander und zufällig.

Modenverriegelung bedeutet, dass die Resonatormoden gezwungen werden, phasengleich zu schwingen, was durch kohärente Addition zu einem scharfen Laserpuls führt, der sich im Inneren des Resonators ausbreitet, bevor er in eine Richtung austritt, um einen Laserpuls zu emittieren.

Grundsätzlich gilt: Je mehr Moden in ihrer Schwingung phasenverriegelt sind, desto kürzer ist die Pulsdauer, die erreicht werden kann. Femtosekundenlaser unterscheiden sich nicht nur in ihrer Pulsdauer, sondern auch in den Wiederholungsfrequenzen ihrer Pulse, die von einigen MHz bis zu GHz reichen können.

Welche verschiedenen Arten von Femtosekundenlasern gibt es?

Technisch gesehen gibt es verschiedene Lasertypen, die Femtosekundenimpulse erzeugen können, darunter Festkörperlaser, Faserlaser und weitere.

• Festkörper-Bulk-Laser: Femtosekunden-Festkörperlaser werden in Anwendungen wie der Spektroskopie und bei chirurgischen Eingriffen eingesetzt und sind für ihre hohe Präzision und außergewöhnliche Zuverlässigkeit bekannt.
• Faserlaser: Faser-Femtosekundenlaser werden häufig in der Mikrobearbeitung oder in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt, da sie für ihre außergewöhnliche Stabilität und Strahlqualität bekannt sind

Farbstofflaser: Diese Femtosekundenlaser ermöglichen die ultraschnelle Beobachtung molekularer und atomarer Prozesse und tragen so zu einer höheren Produktivität bei

Anwendungen von Femtosekundenlasern

Femtosekundenlaser können in zahlreichen Anwendungen der Materialbearbeitung eingesetzt werden, darunter Schneiden, Ablation, Bohren und Mikrobearbeitung, sowie in einer Vielzahl wissenschaftlicher Anwendungen wie Spektroskopie, Messtechnik und der Erzeugung von Quantenlicht.

• Femtosekunden-Laserschneiden: Der Einsatz von Femtosekundenlasern für hochpräzises Schneiden reduziert thermische Schäden auf ein Minimum und sorgt für sauberere Kanten und genauere Schnitte
  • Femtosekunden-Laserablation: Die Laserablation erfordert hochpräzise, kurze Impulse, weshalb Femtosekundenlaser häufig in chirurgischen Anwendungen eingesetzt werden
• Femtosekunden-Laserbohren: Die kurzen, ultraschnellen Impulse dieses Lasertyps ermöglichen hochwiederholgenaues Bohren für den Einsatz in Branchen wie der Mikroelektronik, wo eine große Anzahl von Mikrolöchern bei minimaler thermischer Schädigung erforderlich ist
• Mikrobearbeitung mit Femtosekundenlasern: Bearbeitung von Teilen und Komponenten auf Mikro- oder Nanoebene mithilfe fortschrittlicher Lasermikrobearbeitung zur Erzeugung filigraner Details
  • Materialanalyse: Die ultraschnellen Impulse von Femtosekundenlasern ermöglichen eine hochpräzise Materialanalyse in wissenschaftlichen Disziplinen
  • Spektroskopie und Messtechnik: Femtosekundenlaser ermöglichen Einblicke in dynamische physikalische und chemische Prozesse im Nanobereich. Diese Laser sind unverzichtbar für die Erforschung der Eigenschaften von Atomen und Molekülen sowie für optische Atomuhren mit einer Genauigkeit von mehr als 18 Stellen
• Quantentechnologien: Femtosekundenlaser sind wichtige Werkzeuge für Anwendungen in der Quantentechnologie, wie beispielsweise die Erzeugung einzelner Photonen

Welche Branchen können von der Femtosekunden-Lasertechnologie profitieren?

Femtosekunden-Laserbearbeitungsverfahren werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, um höhere Effizienz und höchste Präzision zu erzielen, darunter:

• Chirurgie
• Medizintechnik
• Fertigung
• Chemische Verarbeitung
• Automobilindustrie
• Luft- und Raumfahrt
• Elektronik
• Telekommunikation
• Wissenschaftliche Forschung
• Spektroskopie
• Messtechnik

Welche Materialien lassen sich mit Femtosekundenlasern bearbeiten?

Femtosekundenlaser sind äußerst vielseitig und können zur Bearbeitung einer breiten Palette von Materialien in einer Vielzahl industrieller Anwendungen eingesetzt werden. Zu den Materialien, die mit Femtosekundenlasertechnologien bearbeitet werden können, gehören:

• Metalle
• Polymere
• Glas
• Halbleiter
• Keramiken
• Biologisches Gewebe

Was sind die Vorteile der Femtosekunden-Laserbearbeitung?

Die Bereitstellung einer ultraschnellen, hochintensiven Laserleistung eröffnet neue Möglichkeiten für alle Arten von Laseranwendungen. Zu den zahlreichen Vorteilen des Einsatzes von Femtosekundenlasern gehören:

• Ultraschnelle Geschwindigkeit: Femtosekundenlaser ermöglichen ultraschnelle Bearbeitungsgeschwindigkeiten und sorgen so für eine verbesserte Effizienz und höhere Produktivität
• Hohe Präzision: Diese Laser zeichnen sich durch ein extrem hohes Maß an Präzision und Genauigkeit aus. Dadurch eignen sie sich hervorragend für die Fertigung komplexer, empfindlicher oder filigraner Teile und Komponenten, die darauf ausgelegt sind, die Leistung in verschiedenen Branchen zu steigern und so die Sicherheit oder das Endnutzererlebnis zu verbessern
• Kurze Laserpulsdauer: Dankihrer ultrakurzen Pulsdauer können Femtosekundenlaser zur Beobachtung und Steuerung ultrakurzer Prozesse in biologischen oder chemischen Anwendungen eingesetzt werden
• Minimale thermische Schäden: Femtosekundenlaser wirken als räumlich begrenzte, intensive Wärmequelle, die Material am Brennpunkt sehr schnell verdampft, ohne dass es zu einer starken Wärmeabgabe an die Umgebung kommt, wodurch thermische Schäden auf ein Minimum reduziert werden
• Hohe Vielseitigkeit: Femtosekundenlaser sind unglaublich vielseitig, da sie in einer Vielzahl von Branchen zur Bearbeitung unterschiedlichster Materialien eingesetzt werden können, darunter Metalle, Polymere, Glas, Keramik und biologisches Gewebe
• Bessere Behandlungsergebnisse für Patienten: Bei medizinischen Eingriffen wie der Laser-Augenchirurgie ermöglichen Femtosekundenlaser eine höhere Präzision, was zu besseren Behandlungsergebnissen für die Patienten führt

Femtosekundenlaser von Novanta Precision Manufacturing

Bei Novanta Precision Manufacturing haben wir Femtosekunden-Lasertechnologie auf Basis von Ti:Saphir als Verstärkungsmedium in einer Festkörperarchitektur sowie anwendungsspezifische Systeme entwickelt, die einzigartige Möglichkeiten für eine Vielzahl von Anwendungen bieten:

• taccor: Diese Laserfamilie umfasst schlüsselfertige Systeme mit Wiederholraten von 1 GHz bis 10 GHz in einer Monoblock-Bauweise, die einen Pumplaser und den Oszillator vereint
• venteon: Die ultraschnellen Femtosekundenlaser von venteon kombinieren eine spektrale Emission über eine Oktave hinweg mit Pulsdauern unter 5 fs sowie die Fähigkeit, CEP-gesperrte Pulse zu erzeugen
• gecco: Diese Laser bieten eine Auswahl an Wiederholungsraten zwischen 70 und 110 MHz bei einer Pulsdauer unter 20 fs und sind das Arbeitspferd unter den Seed-Lasern in vielen Chirped-Pulse-Amplifier-Systemen

Mit über 35 Jahren Erfahrung in der Entwicklung branchenführender Laserlösungen entwickeln wir in unseren Anwendungs- und Testlabors Systeme mit hoher Präzision und ultraschnellen Geschwindigkeiten, wobei wir einen „Ingenieur-zu-Ingenieur“-Ansatz verfolgen. OEMs profitieren von unserem fundierten, firmeneigenen Fachwissen, das wir in fast vier Jahrzehnten in der Branche erworben haben.

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