Das Bohren von Glas mit Femtosekundenlasern ist jetzt noch besser

Glas! Es ist eine heikle Sache. Stark wie die Hölle, aber wenn man es zerbricht und von der falschen Seite betrachtet, bleibt ein Haufen scharfer Abfälle übrig. Es wird gleichzeitig für seine Klarheit und Geschmeidigkeit geschätzt und gleichzeitig dafür kritisiert, wie empfindlich es im Falle von Stößen reagieren kann, sei es mechanisch, thermisch oder auf andere Weise.

Wenn Sie jemals versucht haben, Glas zu bohren, wissen Sie, dass das eine schwierige Aufgabe ist. Dies zu schaffen, ohne es zu knacken, ist ungefähr so ​​wahrscheinlich wie ein Lottogewinn auf dem Mars. Sogar Laser sind nicht besonders gut darin. Ein Forscherteam aus Frankreich hat jedoch eine neue Technik entwickelt, die Femtosekundenlaser verwendet, um mikroskopisch kleine Löcher in Glas zu bohren, mit minimaler Verjüngung und ohne Risse! Genial, nicht wahr?

Femtosekundenlaser sind leistungsstarke und nützliche Werkzeuge, auch wenn sie noch unklar genug sind, um einer Erklärung zu bedürfen. Es handelt sich um Laser, die unglaublich kurze Impulse abfeuern, in der Größenordnung von einer Femtosekunde bis zu einigen hundert Femtosekunden. Wenn Sie mit einer Femtosekunde nicht vertraut sind: Sie beträgt 1 x 1015 Sekunden oder ein Millionstel einer Nanosekunde. Diese Laser geben in sehr kurzer Zeit viel Energie ab, was physikalisch gesehen eine hohe Spitzenleistung bedeutet. Während diese Laser einzelne Impulse abfeuern können, können sie auch wiederholt mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abgefeuert werden. Einige Femtosekundenlaser können beispielsweise wiederholte ultrakurze Impulse mit einer Frequenz von Gigahertz abfeuern.

Was diese Laser bieten, ist die Fähigkeit, hochintensive Lichtenergieimpulse sehr präzise abzugeben. Dies macht sie äußerst nützlich für sehr feine, sehr heikle Aufgaben, bei denen sehr kleine Materialmengen zerstört werden müssen, was Wissenschaftler als Ablation bezeichnen. Die hochintensiven Pulse sind in der Lage, viele Materialien abzutragen, während die kurze Dauer der Femtosekundenpulse bedeutet, dass es nur minimale thermische Auswirkungen auf umliegende Bereiche gibt. Auf diese Weise haben sich Femtosekundenlaser für alles von der Augenlaserchirurgie bis hin zu verschiedenen Mikrobearbeitungsaufgaben als nützlich erwiesen.

Beim Bohren von Löchern in Glas haben Femtosekundenlaser jedoch traditionell eine schlechte Leistung erbracht. Übliche Techniken nutzen einzelne Femtosekundenpulse, die über einen großen Zeitraum verteilt sind. Dadurch entstehen tendenziell Löcher mit begrenzter Durchdringung, die zudem eine deutliche Verjüngung und eine raue Innenfläche aufweisen können. Die neue Methode ist die Arbeit von Forschern der Universität Bordeaux. Stattdessen nutzt es Femtosekundenimpulse, die in Gigahertz-Ausbrüchen abgefeuert werden, um Mikrolöcher in Glas zu bohren.

Laut der Forschungsarbeit erzeugt diese Technik weitaus bessere mikroskopische Löcher in Glas. Den Forschern gelang es, tiefe, rissfreie Löcher mit einem Seitenverhältnis von bis zu 37:1 in Natronkalkglas und bis zu 73:1 in Quarzglas herzustellen. Die Löcher selbst hatten einen Durchmesser von nur 27–52 μm und waren zwischen 510 μm und 1620 μm tief. Im Fall von Quarzglas war auch die Oberflächenbeschaffenheit der Löcher von bemerkenswerter Qualität – sie war „glänzend und fast transparent“, sagte Inka Manek-Hönningerto, Professorin an der Universität Bordeaux, gegenüber Photonics Media.

Das Team verwendete in der Studie einen Tangor 100-Laser von Amplitude, einen Ytterbium-dotierten Femtosekundenlaser. Der Laser gab eine maximale Durchschnittsleistung von 100 W bei 1030 nm ab und feuerte Impulse von 500 Femtosekunden ab. Um die Löcher zu bohren, feuerte der Laser Ausbrüche von fünfzig 500-fs-Impulsen mit einer Wiederholungsrate von 1 GHz ab. Jeder Stoß von fünfzig Impulsen dauerte 50 Nanosekunden. Die Bursts wurden dann mit einer Rate von 1 KHz wiederholt. Dadurch blieb zwischen den Stößen genügend Zeit, um die Wärme abzuleiten, wodurch die Entstehung einer Wärmeeinflusszone im die Löcher umgebenden Material vermieden wurde. Das Team stellt fest, dass nichtlineares Absorptionsverhalten und die kumulativen thermischen Effekte der Laserstöße der Schlüssel zur Erzeugung hochwertiger Löcher sind. Durch die wiederholten intensiven Stöße wird die Abtragsrate des Materials erhöht, was dazu beiträgt, tiefere, sauberere Löcher zu erzeugen.

Es besteht die Hoffnung, dass sich die Technik für verschiedene industrielle Anwendungen als nützlich erweisen könnte. Die Geschwindigkeit der Technik ist begrenzt, um eine Beschädigung des Glases durch thermische Einwirkungen zu vermeiden. Wenn es jedoch eine Anwendung gibt, die sehr kleine Löcher erfordert, die sorgfältig in Natronkalk oder Quarzglas eingearbeitet werden müssen, könnte diese Technik genau das Richtige sein. Da es handelsübliche, wenn auch fortschrittliche Laserhardware verwendet, sollte es von anderen Labors problemlos reproduzierbar sein.