Mikrostrukturen Der Laser schafft Freiheit bei der Fertigung optischer Glaskomponenten

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Fraunhofer-Institut für Silicatforschung

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik

Drei Institute der Fraunhofer- und der Max-Planck-Gesellschaft haben das gemeinsame Projekt „LAR3S“ gestartet. Hier zeigen wir, was dahinter steckt.

Neue Ideen für die industrielle Herstellung von Mikrostrukturen: Die an LAR3S beteiligten Forscher wollen nach eigener Aussage die Herstellung von dreidimensionalen, photonischen Glaskomponenten mithilfe der Lasertechnik ganz neu angehen. Im Fokus stehen dabei das selektive laserinduzierte Ätzen und das inverse Bohren per Laserstrahl. Ein wesentliches Ziel sind, wie es weiter heißt, weitgehend automatisierte Prozesse und Verfahren.

Weil man noch nicht alles so ganz genau weiß

Glas ist ein faszinierender Werkstoff, sagen die Forscher. Er ist bekanntlich meist transparent und ermöglicht auch noch die Bearbeitung im Volumen. Die sogenannte materialdurchdringende Laserstrahlung bringe eine weitgehende Geometriefreiheit bei 3D-Strukturen und bei der Bearbeitung unterschiedlichster transparenter Materialien. Doch auch das Laserlicht kommt nicht ohne Schatten aus! Denn um dabei riss- und bruchfreie Bearbeitungsergebnisse zu genießen sind genaue Kenntnisse der Materialeigenschaften und Fertigungsprozesse nötig.

Im oben genannten Projekt soll deshalb mit Blick auf lasergenerierte, dreidimensionale photonische Komponenten das Prozesswissen erweitert werden, um neue Fertigungsmöglichkeiten von verschiedenen 3D-Strukturen mit dem Laser zu entwickeln. Mit dabei sind das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC.

Wenn der Laser rückwärts bohrt ...

Vor 30 Jahren wurde die Idee, Glasfasern mit Löchern über die ganze Länge zu produzieren, noch ungläubig belächelt. Ein Team unter der Leitung des inzwischen emeritierten Direktors des MPL, Philip Russell, hat das aber hinbekommen. Dabei werden Glasstäbe oder -rohre zusammengelegt und in die Länge gezogen. So lassen sich heute Glasfasern mit bestimmten Querschnitten ziehen, was auch Stack-and-draw Verfahren genannt wird. Mit strukturierten Hohlkernfasern können dann auch sehr intensive Laserstrahlen übertragen werden, die Vollfasern zerstören würden.

Der Aufbau strukturierter Fasern ist mit dem oben genannten Verfahren aber meist auf eine hexagonale Geometrie beschränkt. Am Fraunhofer-ILT wird deshalb ein patentiertes Verfahren weiterentwickelt, mit dem komplexere und damit möglicherweise vorteilhaftere Strukturen völlig automatisiert gefertigt werden können. Es handelt sich um das oben bereits erwähnte inverse Laserstrahlbohren. Dabei wird die Laserstrahlung durch ein transparentes Bauteil auf die Rückseite fokussiert und mit einem Scanner über die abzutragende Fläche bewegt. Der Laser bohrt gewissermaßen rückwärts ein Loch in das Glas. So sollen sich fast beliebige Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in den Faserrohling einarbeiten lassen. Auch andere transparente Materialien stellen übrigens dafür kein Problem dar. In Zukunft sollen die Strukturen mit Künstlicher Intelligenz (KI) auch noch per Computer berechnet werden, um sie mit dem Laser direkt umzusetzen.

Würzburger Forscher schaffen Probleme aus der Welt

Vom Fraunhofer-ISC aus Würzburg kommt dabei eine wesentliche Kompetenz für die Prozessführung. Sie betrifft das Entfernen der abgetragenen Reststoffe aus den Bohrlöchern. Um das zu schaffen, werden zusammen mit den Projektpartnern die Laserparameter optimiert sowie physikalische oder chemische Methoden zur Prozessoptimierung entwickelt. Das Ziel ist es, die Strukturen mit maßgeschneiderten dispersiven Eigenschaften in über 200 Millimeter langen Faservorformen einzubringen.

Der Fokus liegt auf der Optimierung von Lasermikroresonatoren

Ein anderes Verfahren für die Mikromaterialbearbeitung ist das selektive laserinduzierte Ätzen, heißt es weiter. Dabei wird ein transparenter Werkstoff mithilfe von fokussierter ultrakurz gepulster Laserstrahlung im Volumen und an den Oberflächen strukturiert, was auch noch rissfrei geht. Dadurch würden die chemischen Eigenschaften so verändert, dass er selektiv ätzbar werde. Durch die Auslenkung des Fokus im Werkstück können auch zusammenhängende Bereiche modifiziert werden, die im zweiten Prozessschritt durch nasschemisches Ätzen entfernt werden können. Der Prozess ist zwar zweigeteilt, ermöglicht aber eine ebenso eine hohe Geometriefreiheit, betonen die Beteiligten.

Die Projektpartner wollen das Verfahren, wie es weiter heißt, vor allem für neue Geometrien in der Herstellung von Lasermikroresonatoren optimieren. Solche Submillimeterstrukturen ließen sich beispielsweise in der Telekommunikation und der Quantentechnologie anwenden. Als Koppler, Konverter oder Sensoren ermöglichen sie nämlich die weitere Miniaturisierung und Integration optischer Komponenten.

Das Projekt „LAR3S – Lasergenerierte dreidimensionale photonische Komponenten - Resonante und Antiresonante Bauelemente zur Formung und Führung von Licht“ hat im Übrigen eine Laufzeit von drei Jahren und wird im Rahmen des Fraunhofer-Max-Planck-Kooperationsprogramms gefördert.

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