Billionstel-Sekunden-Pulse sparen Energie

Livermore (pte003/05.04.2019/06:05) - Das Abtragen von Material mithilfe eines energiereichen Laserstrahls, die sogenannte Laser-Ablation, wird künftig schneller gehen. Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory http://llnl.gov setzen hierzu einen Ultraviolett-Laser ein, der Pulse aussendet, die nur Billionstel Sekunden lang sind. Die besten Ergebnisse haben die Experten um Jeff Bude bei einem Wärmefluss von zehn Joule pro Quadratzentimeter erzielt. Der Energiebedarf war in dieser Kombination erheblich geringer als bei der heute verwendeten Technik.

Geschmolzenes weggeschleudert

Die extrem kurzen Pulse erhitzt blitzschnell die Oberfläche des Materials, das bearbeitet werden soll und verflüssigt es. Gleichzeitig entsteht eine Schockwelle, die durch das Werkstück flitzt. Durch Kavitation, die Bildung von Gasbläschen, wird das Material weggeschleudert. Das Team näherte sich dem Optimum mithilfe von Computersimulation und realen Versuchen mit Aluminium, Edelstahl und Silizium.

Laser-Ablation wird genutzt, um sehr feine Strukturen auf Werkstücken herzustellen. Bei jedem Durchgang werden allenfalls mikrometerdicke Teile der Oberfläche entfernt. Da die tiefer liegenden Schichten nicht erhitzt werden, gibt es keine Materialschäden. Das Verfahren dient deshalb auch zum Entfernen von Verunreinigungen, etwa auf steinernen Skulpturen, auf denen sich aufgrund verschmutzter Luft Ablagerungen gebildet haben.

Picosekundenlaser deutlich billiger

Für die Laser-Ablation wird bisher vor allem der Femtosekundenlaser genutzt. Dessen Pulse sind 1.000 Mal kürzer als die des Picosekundenlasers. Die Wechselwirkung zwischen dem Material, das bearbeitet werden soll, ist bei beiden Laserarten verschieden. Was bei Femto gilt, ist nicht auf Pico übertragbar. Nach langen Versuchsreihen verstanden die Experten die neue Physik, vor allem den Vorgang, der dazu führt, dass das geschmolzene Material weggeschleudert wird.

"Man kann mit Picosekundenlasern die gleiche Qualität erreichen wie mit Lasern, die weit kürzer gepulst sind", sagt Bude. Da diese Laser billiger sind als die bisher genutzten, ist das Verfahren kostengünstiger und benötigt weniger Energie. Bude hält somit neuartige Anwendungen in der Materialbearbeitung, der Verteidigung und der Medizin für möglich.

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