Laserablation mit Diodenlasern

[Dr.Ulli]

Hallo Laserfreaks!
Da hier hoffentlich einige Laseristen mit Erfahrung in der Materialbearbeitung mit Lasern sind, stelle ich hier mal eine Frage bezüglich der Ablation von Metall/Keramik mit Diodenlasern.

Weis hier jemand aus Erfahrung, ob mit Diodenlasern eine Laserablation von Keramik und Metall möglich ist, und zwar so, dass möglichst das abgetragene Material die Zusammensetzung des Werkstücks wiedergibt (-> stöchiometrische Abtragung)?
Nach meinen bisherigen Erfahrungen in diesem Gebiet denke ich nämlich, dass Diodenlaser (auch High-Power) wegen ihrer schlechten Strahlqualität dafür nicht geeignet sind (Breitstreifenemitter, Barren bei höheren Leistungen). Soweit ich darüber Bescheid weis, muss ja eine Leistungsdichte erreicht werden, die auch zur Erzeugung eines Plasmas notwendig ist (also ca. 2GW/cm^2, bzw. abhängig vom Spot-Durchmesser ca. 10µJ bei 10µm ...100µJ bei 50µm usw...). Ich selbst habe ja schon ein paar Jahre lang mit LIBS (LIPS) Erfahrungen gemacht, jedoch mit einem 150mJ /5ns NdYAG-Laser (Lampengepumpt - von Quantel) - also reichlich Power um auch bei 1mm Spotdurchmesser ein Plasma zu generieren.
Bisher kenne ich Diodenlaser nur für Anwendungen wie Löten, Schweissen usw. aber habe noch nie gehört, dass damit auch eine stöchiometrische Ablation möglich ist.

Falls also jemand schonmal davon gehört hast....wo kann ich mehr darüber erfahren? (Zunächst wollte ich mich noch nicht mit den diversen Laserdioden-herstellern/Vertreibern wie Coherent, Laserline etc... in Kontakt setzen)
Habt ihr eventuell eine Ahnung davon, wie teuer ein Diodenlaser ist, der das schaffen könnte? Nach dem, was ich im Netz gefunden habe, scheinen Hochleistungs-Diodenlaser doch wieder im oberen Preissegment (> 10k-Euro) angesiedelt zu sein und auch nicht gerade kompakt (wegen Stromversorgung).

Für weitere Tipps zum Thema wäre ich auch dankbar!

Gruß!

[VDX]

Hi Dr.Ulli,

... ich bastele zur Zeit mit fasergekoppelten Einzeldioden mit 5Watt optisch bei 975nm aus einer 0.1mm-Faser - damit kann ich nur was wegbrutzeln, wenns dunkel ist.

Schwarze Stein-Mikrokugeln mit 0.2mm Durchmesser habe ich verdampft, so daß sie als durchsichtige Nanokugeln rekondensiert sind - massives Material mit guter Wärmeabfuhr ist nur bedingt zu bearbeiten ...

Diese Dioden gibts mit 20 Watt ... was die kosten weiß ich nicht, 8Watt-Dioden von Lumics habe ich mir für etwas über 300 Euro Einzeln oder 200 Euro ab 5 Stück anbieten lassen.

IPG hat Diodenlaser bis zu einigen zig kW ...

Ansonsten würde ich dir für sowas eher einen Faserlaser empfehlen - ich habe einen diodengepumpten mit 50 Watt Output bei 1070nm, den bekomme ich mit Strahlaufweiter runter auf 5 Mikrometer Spot - da ist die Leistung auf jeden Fall ausreichend

Viktor

[gento]

Die einzige Möglichkeit das man einen unsichtbaren Laserstrahl sieht sind weiße Keramikplättchen.
Damit findet man den Strahl wenn was dejustiert wurde.
So handhaben das Rofin Sinar Serviceleute.
In diesen Leistungsklassen läst sich schon Alu beschreiben , Keramik leuchtet halt nur.

Gento

[VDX]

... wenn ich den Faserlaser voll fokussiere, schmelze ich ab etwa 20 Watt auch die weißen Indikator-Keramikplatten auf - sowohl die fluoreszierenden Körnchen, als auch das weiße Basismaterial ... deswegen mache ich die Fokusjustage mit den Indikatorplatten nur bei minimaler Leistung unter 2 Watt ...

Bei den Diodenlasern dürfte das selbst bei 50Watt kein Problem sein, da ich keinen Spot unter 100 Mikrometer hinbekomme

Viktor

[Dr.Ulli]

Danke schonmal für eure Antworten!

Also- das Ziel ist, mit einem Diodenlaser vom Metall (o.anderes) Material zu verdampfen und das verdampfte Material aufzufangen (Scheibe, Tesafilm...), um es danach analysieren zu können. Das Abtragen sollte durch einen Laserpuls geschehen...
Ich bin mir da immer noch nicht sicher, dass dafür eine Diode mit (nur) 20W reicht...kommt natürlich auf die Pulsdauer an, aber die liegen ja wohl auch nicht gerade im ns - Bereich....wohl eher so bei 100ns...oder?

Grundlage meiner Überlegungen ist u.A. folgendes Diagramm:

FLUENCE2.jpg

[VDX]

... mit 20Watt und moduliertem Betrieb wirst du's auch nicht hinbekommen.

Es gibt aber Diodenlaser bis zu einigen kW Leistung mit Pulssteuerung und Q-Switch (siehe mein Link), da wirds schon eher was - frag mich aber nicht nach den Preisen ...

Anders siehts bei den Faserlasern aus - da ist die mögliche Energiedichte durch die viel bessere Kohärenz (als z.B. bei NdYAG-Lasern) viel höher ... rechne mal 50 Watt auf einen Spot von 5 Mikrometer Durchmesser ...

Erst gestern habe ich die Info bekommen, daß die Pumpdioden bis zu 200MHz moduliert werden können ...

Viktor

[Dr.Ulli]

Danke VDX für den Link!
So ein Faserlaser ist ja sehr kompakt und hat wohl auch die geforderten Eigenschaften...aber ich glaube, dass die wohl preislich im > 10-kEuro-Bereich liegen....( da könnte ich ja auch den Quantel nehmen...).
Gewünscht wäre eine Laserquelle im Bereich bis < 5kEuro (eben ne "einfache" Diode) - aber ich fürchte, dafür wird man wohl keinen Laser bekommen, der die Ablation schafft.

[VDX]

... vor 4 Jahren hatte ich mir ein Angebot von der Firma Manlight für einen 20Watt-Faserlaser geben lassen - der hätte damals 9k€ gekostet ... das dürfte inzwischen deutlich günstiger sein ...

Viktor

[ghoimschwob]

Hallo,
ich denke, dass Laserdioden in entsprechender "Strahlqualität" immer noch sehr teuer sind bei entsprechend hohen Leistungen. Wie siehts denn mit "herkömmlichen" Stablasern aus? Die haben doch gepulst meist ordentlich "Wumms" und evtl. reicht die Fokussierbarkeit aus für "kalte Ablation"?

[Dr.Ulli]

Ein "herkömmlicher Stablaser" kommt nicht in Frage, da viel zu groß! Es sollte eine kompakte Quelle sein, mit der man eine stöchiometrische Ablation (das verdampfte Material soll der Zusammensetzung der Probe entsprechen) schafft - so wie der ND-YAG, den ich ja zur Verfügung habe - der hat allerdings 150mJ in 5ns und verdampft Metalle ganz prima für die spektroskopische Untersuchung (LIPS).
Nur der ist halt auch nicht kompakt genug. Und so stark braucht der Laser nicht zu sein - es würden ja schon 10J/cm^2 bei 50 µm Spotgröße reichen, nach dem Graphen oben...also ein Laser mit >=100µJ...
Bisher konnte ich leider auch nur feststellen, dass die Strahlqualität der Dioden nicht ausreichend ist (ausser man nimmt mehrere und ziehlt damit auf einen Punkt) - in Frage käme da sonst eigentlich nur noch ein Dioden-gepumpter Faserlaser...

[VDX]

... mal eine ganz andere Idee - wie siehts eigentlich mit einer Hochspannungs- oder Hochstrom-Entladung aus?

Einige kV sind recht leicht zu erzeugen (bzw. habe ich von 2kV bis 14kV als Trafos und DC-Module da), und für Hoschtrom: - eine Entladung über einen dicken 10mF-Kondensator hat schon bei 12Volt genug 'Rumms', um Metall zu verdampfen ...

Viktor

[Dr.Ulli]

Irgendwie lustig... ....denn die Metallanalyse per Funkenstrecke ist unser Hauptgeschäft bei Spectro (www.spectro.com)....daher kenn ich mich damit hervorragend aus! Leider gehts damit nicht, weil die Verdampfung nicht stöchiometrisch ist, die Elemente/Legierungsanteile mit niedrigerem Schmelzpunkt verdampfen zuerst...das wird sogar ausgenutzt in der Analyse per Funken/Bogen...
Zudem wäre es schwierig, den Dampf vernünftig an einem Substrat abzuscheiden, um dies dann mit ganz anderen Methoden weiter zu untersuchen. Also sollte es schon ein Laser sein....

[VDX]

... hmmm ... dann dürftest du mit einem NdYAG oder Faserlaser und 1064 bzw. 1070 nm evtl. auch schon leichte Unterschiede merken, denn die erhitzen das Material ebenfalls soweit, daß du zuerst die flüchtigeren Bestandteile rausbekommst ...

Die einzige wirklich 'kalte' Ablation habe ich mit Excimer-Lasern hinbekommen - die tragen Nanometer dicke Schichten ab, ohne das Material darunter zu erwärmen ... aber die Preise dürften dir da wohl auch nicht gefallen

Viktor

[ghoimschwob]

Gibts vielleicht schon Mikrochiplaser die das können?

[Dr.Ulli]

@VDX: Soweit ich mich bisher mit der Materie auskenne, kommt es auf die Dauer (und natürlich Energie) des Pulses an - eine "echte" stöchiometrische Ablation machen wohl die Femto-Sekunden Laser...aber mit LIPS und mit den 5ns und 150 mJ bei 1064nm habe ich hervorragende Kalibrationen (besser als mit Funken - bei den Metall-Basen Eisen, Kupfer, Titan...- zertifizerte Proben - sogar Stickstoff Nachweisgrenze <5ppm, sonst fast alle Elemente <1ppm) mit LIPS hinbekommen.

Die Probe muss sozusagen "desintegriert" werden, so dass die Thermodynamik praktisch kaum eine Rolle spielt...

Es gibt auch Publikationen, wo kürzere Wellenlängen (verdreifachter Nd-YAG ) befürwortet werden, aber ich habe da keine signifikanten Unterschiede feststellen können....

Aber vielen Dank noch für die Lösungsvorschläge! Ich werde es wohl, wenns soweit ist, mit mehreren gekoppelten Dioden ausprobieren...

[VDX]

... bin grad am Überlegen ... die Dioden und diodengekoppelten Faserlaser, die ich habe, sind quasi CW bzw. mit AOM bis 50MHz modulierbar - du benötigst da eher Pulslaser ... kennst du pulslaser.de ?

Vor ein paar Monaten habe ich mir bei ebay testweise für 10 Euro eine '7Watt-Laserdiode' bestellt - die kann 100ns-Pulse mit 15 Ampere Strom, allerdings nur 0.8% duty cycle

IPG hat auch Pulslaser im Programm ...

Viktor

[Dr.Ulli]

Ja ! Danke!

Kenn ich mittlerweile schon (fast) alles, da ich das "allwissende" Netz schon mehrfach durchgegoogelt habe...

Erstmal mach ich Versuche mit dem Nd-YAG...dann schau ich mal weiter...

Nochmals vieeeeelen Dank an euch!

[Sky and Sand]

Diodenlaser bekommt man ohne Pol und Wellenlängenkopplung auf 350 W in 100 µm Faser. Theoretisch wären mit Pol und 4-Fach Lambda auch ca. 2kW drin. Wird blos sehr teuer, Einzelemitter haben underfill in Fast und 10 mm Barren sind im SPP slow einfach zu schlecht. Mit 50 Euro/Watt kannst du da schon rechnen. Ich würd auch der Strahlqualität halber nen Diode pumped Faserlaser nehmen. Die IPG Teile basieren wohl auf Einzelemittern soweit ich weiss und sind daher so tiefpreisig (Massenproduktion).

[VDX]

... im alten 50Watt-Faserlaser sind 28 5Watt-Dioden als Pumpe drin - inzwischen haben sie 9- und 20Watt-Einzelemitter-Dioden im Programm, so daß die neueren Faserlaser anders aufgebaut sind ...

Viktor

[Sky and Sand]

Geht man mittlerweile nicht in Richtung enggepumpter Faserlaser? Oftmals wurden ja auch Systeme aufgebaut, die mit unzähigen Dioden von den Seiten gepumpt wurden. Die Einzelemitter werden dann ja meistens über Fiber-Combiner zusammengeführt.

[VDX]

... ich habe einen mal aufgemacht, da werden die Einzelfasern von den Dioden in die Resonanzfaser eingespleißt, man erkennt nur mehrere Schlaufen von Faserbündeln, die an den Einkoppelstellen mit Schrumpfschlauch geschützt sind

Viktor

[Sky and Sand]

Interessant, ich bin mal gespannt wie der Kampf zwischen Einzelemittern und Barren letztendlich ausgehen wird.

[andythemechanic]

... ich habe einen mal aufgemacht, da werden die Einzelfasern von den Dioden in die Resonanzfaser eingespleißt, man erkennt nur mehrere Schlaufen von Faserbündeln, die an den Einkoppelstellen mit Schrumpfschlauch geschützt sind

Viktor

Werden da einzelne Emitter in Fasern gekoppelt oder Barren? Würde mich mal interessieren.

Grüße
Andreas

[Sky and Sand]

Einzelne Emitter. Es gibt sowas aber auch mit Barren, aber nur als Prototyp. Ist ein haufen Justagearbeit vor jeden Emitter des Barrens die Faser zu justieren. Deshalb werden auch Faserkämme eingesetzt

[VDX]

... mich würde interessieren, wie das mit getaperten Fasern ist.

Ich habe z.B. ein paar getaperte Faserbündel als Starter für das Ziehen von bildgebenden Fasern - da werden 1500 Glasfasern zu einem Bündel zusammengfasst, das etwa 10mm Durchmesser hat, dann wird das Bündel bis zur Erweichung erhitzt und langgezogen (getapert) ... wenn es fertig ist, hat das Gesamtbündel nur noch einen Außendurchmesser von 0.2mm und jede Einzelfaser etwa 3 Mikrometer und die Faser kann ein an einem Ende eingekoppeltes Bild immer noch übertragen (=>Fiberskop)

Meine beiden Taper-muster sind quasi mittendrin aus dem Ziehprozess rausgeholt und an den Enden plangeschliffen ... der dicke Durchmesser ist etwa 10mm, der dünne etwa die Hälfte ... eins ist gerade, das andere ist etwa 45° geknickt und führt das Bild so auch noch 'um die Ecke'.

Die übertragen ein Bild mit der Änderung des Faserdurchmessers und verkleinern oder vergrößern es dabei entsprechend.

Wenn ich jetzt z.B einen langen Taper habe, mit einem Einzelfaserdurchmesser von 0.1mm am Eintritt und gleichmäßig verjüngt auf 0.01mm pro faser am Austritt ... wieviel Leistung ließe sich dabei noch übertragen?

Die Idee wäre dann am Eingang z.B. 100x 10Watt-Dioden mit 0.1mm Faser einzukoppeln und am Ende die übertragene Gesamtleistung aus einem insgesamt nur 0.1mm dicken Faserbündel rauszuholen ...

Viktor

[Sky and Sand]

Die Idee wäre dann am Eingang z.B. 100x 10Watt-Dioden mit 0.1mm Faser einzukoppeln und am Ende die übertragene Gesamtleistung aus einem insgesamt nur 0.1mm dicken Faserbündel rauszuholen ...

Das wird nicht funktionieren. Wenn eine Faser sich über ihre Länge in ihrem Durchmesser verjüngt, verändert sich der Winkel bei der totalreflexion bei jeder Brechung. Irgendwann wird deine Strahlung aufgrund zu großer Winkel aus der Faser ins Cladding entweichen. Wenn du was findest was die Strahldichte erhöht, dann hast dus geschafft

Man sieht übrigends schon sehr gut das es nicht klappt wenn man es auf ein Blatt Papier zeichnet. Was ähnliches hatten wir mal in ner Vorlesung, blos da wars ein trichterförmiger Spiegel.

[VDX]

... hmmm ... bei homogenen Fasern sehe ich das ein

Bei meinen Taper-Mustern kann ich ein eingestrahltes Bild von einem Ende zum anderen fast ohne Verluste übertragen und wenn ich beim dicken Ende einstrahle, habe ich am dünnen Ende eine etwas höhere Lichtichte als andersrum, allerdings habe ich das mit Umgebungslicht/LED's probiert und habe auch kein Intensitätsmeßgerät da ...

Hat jemand evtl. Erfahrung mit sowas bei getaperten GRIN-Fasern mit negativem Brechnungsindex?

Viktor

[Sky and Sand]

GRIN Fasern mit negativem Brechungsindex?

GRIN ist klar, aber wieso negativer Brechungsindex?

[VDX]

... das habe ich mir irgendwie so überlegt - die normalen GRIN-Fasern sind so aufgebaut, daß die Beugung zur Mitte hin erfolgt - damit tritt ein Strahl beim Verjüngen/tapern der Faser immer etwas steiler aus dem Kern aus, als er eingetreten ist, so daß er irgendwann quer aus der Faser entweichen kann ...

Wenn ich jetz einen umgekehrten Aufbau hätte, der den Strahl eher in den Randbereich ablenkt, wo er immer den gleichen Reflektionswinkel erfährt, wie er eingetreten ist, durch den Gradienten aber wieder Richtung Rand gebeugt wird ... sollte das doch eigentlich dazu führen, daß die Energie durch Beugung vom Kern weg und Totalreflektion am äußeren Rand in der Randzone geführt wird und der Reflektionswinkel nicht so groß wird, das der Strahl entweichen kann ...

Was auch noch möglich wäre: eine Abfolge von GRIN-Fasern mit unterschiedlichem Brechungsindex - getaperte N-GRIN zum Verjüngen des Strahls und dann ein Stück P-GRIN zum Harmonisieren ... mehrfache Abfolge bis zum gewünschten Austrittsdurchmesser ...

Viktor

[Sky and Sand]

Hmm das zweifle ich mal stark an das das möglich ist. Simulier doch mal in ZEMAX, dann siehst du eigentlich sehr schnell obs geht oder eben nicht. Vor allem muss man schauen ob sowas überhaupt herstellbar ist.

[VDX]

... hab kein "ZEMAX" ... kenne es noch nicht mal

Könnte evtl. jemand, der Zugang zu einen entsprechenden Simulator hat, die Idee mal austesten?

Die Herstellung der N-GRIN-Faser sollte eigentlich analog zur normalen möglich sein ... nur werden die aufwachsenden Schichten von Innen nach Außen optisch dichter ...

Viktor

[Dr.Ulli]

Die Idee wäre dann am Eingang z.B. 100x 10Watt-Dioden mit 0.1mm Faser einzukoppeln und am Ende die übertragene Gesamtleistung aus einem insgesamt nur 0.1mm dicken Faserbündel rauszuholen ...

Dazu hab ich nun lange überlegt, und mir fällt dazu folgendes ein:
Zitat:
Die Brillanz enthält das Produkt aus Ort und Impuls und das Produkt aus Zeit und Frequenz, die beide jeweils wegen der heisenbergschen Unschärferelation nicht beliebig klein werden können.
und:
Intensität und Divergenz einer Strahlung lassen sich durch Optik verändern. Der Satz von Liouville sagt aus, dass sich die Brillanz einer Quelle nicht durch Optik steigern lässt, weiterhin ist die Frequenz unveränderlich (geändert, die Quelle schreibt (meiner Meinung nach falsch) "Wellenlänge unveränderlich" - Das widerspricht der Dispersion und den Brechungsgesetzen...und die Energie eines Photons - als wohl unveränderlicher Größe ist E=h*Frequenz)

Aus:
http://de.wikipedia.org/wiki/Brillanz
http://de.wikipedia.org/wiki/Satz_von_L ... e_(Physik)
http://de.wikipedia.org/wiki/Etendue - (Lichtleitwert)
http://de.wikipedia.org/wiki/Strahlparameterprodukt
http://de.wikipedia.org/wiki/Strahlpropagationsfaktor

Das bestimmt auch, wie weit man eine Diode fokussieren kann...und weshalb die Ablation so gut mit einem Nd-YAG-Laser funktioniert (hohe Brillanz und kleines Strahlparameterprodukt) und mit Dioden (niedrige Brillanz und großes Strahlparameterprodukt) nicht.
Danach sollte das auch nicht klappen mit der Bündelung von 100 Fasern mit x Querschnitt in eine Faser mit auch x Querschnitt. Da passt dann gut das anschauliche Beispiel von S&S...mit dem Spiegeltrichter...

Zum negativen Brechungsindex kennt man ja Metamaterialien, aber praktisch ist das erst im Mikrowellenbereich erfolgreich gelungen, jedenfalls noch nicht im sichtbaren optischen Bereich...so weit ich weis...
http://de.wikipedia.org/wiki/Metamaterial

Dazu könnte ich mir aber eine Platte aus so einem Metamaterial vorstellen...zur "Bündelung 100 auf 1"...aber überlege noch, ob das nicht auch den oben zitierten Gesetzen widerspricht....und ob nicht einfach durch die Fokussierung von mehreren Dioden auf einen Punkt die Brillanz zur Ablation/Plasmadurchbruch erreicht werden kann und wenn ja - mit wievielen mit welcher Leistung/ bzw. Energie...

(WITZ: Alle Laser der Feaks beim Treffen auf einen Punkt - und "PAFF" - ein Schwarzes Loch..."FLUPP" - Erde weg!!!..... )

Was fällt euch noch ein?

[VDX]

... mir ist klar, daß durch den Verlust der Kohärenz die maximal mögliche Energiedichte beschränkt ist ... im Prinzip werden die vorher noch halbwegs kohärenten Strahlen durch die Mehrfachbeugung/Reflexion immer mehr chaotisiert und zerstreut.

Ich kann mich noch an eine Lösung zum 'um die Ecke führen' von X-rays erinnern (ähnlich zu dem Satelliten-Röntgenteleskop mit den Mehrfach-Streifspiegeln), wobei Röntgenlicht in ein Bündel von innen verspiegelten Hohlfasern eingekoppelt wurde und durch die Bragg-Reflektion durch die Hohlleiter wie Licht in einer Glasfaser geführt werden konnte ... auch um weite Kurven herum ...

Eigentlich stelle ich mir sowas ähnliches mit dem Laserstrahl vor, wobei der Strahl nur noch in einem Randbereich der Faser geführt wird, der sein Reflektionsverhalten auch bei Querschnittsänderungen beibehält ... außer daß der Ringdurchmesser langsam abnimmt

Die Frage ist eher, bis wohin kann so ein System optimiert werden?

Viktor

[Sky and Sand]

Wenn du aber den Querschnitt abnehmen lässt, so verändert sich aber bei jeder Reflektion der Winkel mit dem die Strahlung an den Faserrand trifft. Irgendwann trifft er eben so steil auf das er nicht mehr totalreflektiert wird. Wie Ulli schon sagte, Brillanz, oder auch Strahldichte lässt sich nicht beliebig steigern.

[Dr.Ulli]

Brillanz, oder auch Strahldichte lässt sich nicht beliebig steigern.

Sie lässt sich GARNICHT steigern! Das ist wie mit der Energieerhaltung - mehr gibts einfach nicht - nur Umwandlung oder Verlust...

Mit "Strahldichte" meintest du aber wohl eher Strahlqualität...oder?...