In der modernen fortgeschrittenen Fertigung sind Laser nicht länger nur Schneidwerkzeuge, sondern physikalische Instrumente, die auf bestimmten Zeiträumen arbeiten.Während sich die technischen Materialien von Silizium und Stahl zu Saphir entwickelnBei der Herstellung von Fertigungsmaterialien, wie Diamanten, Keramik, Breitbandhalbleitern und Hochtemperaturlegierungen wird die Pulsdauer eines Lasers zum maßgeblichen Faktor, der die Bearbeitungsqualität bestimmt.

Heute dominieren zwei Pulsregime die industrielle Laserverarbeitung:
Nanosekundenlaser (ns) und Pikosekundenlaser (ps).
Der Unterschied zwischen ihnen ist nicht inkrementell, sondern stellt eine grundlegende Veränderung dar, wie Materie entfernt wird.

1Nanosekundenlaser: Entfernung von wärmedominiertem Material

Nanosekundenlaser arbeiten typischerweise mit Pulsschwerpunkten zwischen 1 und 100 ns. In dieser Zeitskala folgt die Laser-Materie-Wechselwirkung einem klassischen thermischen Weg:

Photonenabsorption → Elektronenerregung → Gitterheizung → Schmelzen → Verdampfung → Resolidifikation

Mit anderen Worten, das Material wird durch Schmelzen und Kochen entfernt.

Dieser Mechanismus funktioniert gut für makroskopisches Schneiden und Schweißen, führt jedoch bei der Präzisions-Mikrobearbeitung, insbesondere bei spröden oder ultraharten Materialien, zu schweren Einschränkungen.Die lange Wechselwirkungszeit ermöglicht es, Wärme in das umgebende Gitter zu diffundieren, die folgende Produkte produziert:

• Wärmebelastete Zone (HAZ)

• Schmelzflächen aus geschmolzenem Material

• Wärmebelastung und Mikrokreche

Bei der Bearbeitung von Saphir, Rubin, Diamanten, Keramik oder SiC verursachen Nanosekundenlaser häufig Randsplitter, Risse, raue Lochwände,und Verlust der Dimensionskontrolle, Halbleiter und mikro-mechanische Geräte.

2Picosekundenlaser: Eintritt in das nichtthermische Ablationsregime

Picosekundenlaser arbeiten mit einer Pulssbreite von 1 ‰ 50 ps ‰ drei Größenordnungen kürzer als Nanosekunden-Systeme.Diese Dauer ist kürzer als die charakteristische Zeit, die für die Energieübertragung von angeregten Elektronen zum Kristallgitter erforderlich ist.

Dadurch speichert der Laser seine Energie, bevor sich Wärme bilden kann.

Die Interaktion wird:

Photonenabsorption → ultraschnelle Ionisierung → Plasmabildung → Bindungsbruch → direkte Materialabstrahlung

Dieser Prozess wird als athermische Ablation bezeichnet, wobei das Material nicht geschmolzen wird, sondern physikalisch auf atomarer Ebene zerfällt.

Dies führt zu dramatisch unterschiedlichen Ergebnissen:

Bei ultraharten und zerbrechlichen Materialien bieten Picosekundenlaser eine Kontrolle, die Nanosekundenlaser einfach nicht erreichen können.

3Warum Mikroborungen den wirklichen Unterschied aufdecken

In der modernen Technik ist ein "Loch" nicht mehr nur eine Öffnung, sondern eine funktionelle Struktur.

• Halbleiter-Gaskanäle und TSV

• mit einer Leistung von mehr als 50 W und mit einer Leistung von mehr als 50 W

• Luft- und Flüssigkeitslagersysteme

• Präzisionsdüsen und Kühlkanäle

Diese Löcher haben oft einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern und müssen eine enge Toleranz bei Rundheit, Tiefe und Kantenintegrität aufrechterhalten.

Da Nanosekundenlaser auf das Schmelzen angewiesen sind, haben sie Schwierigkeiten, solche Strukturen in Saphir, Diamanten, Keramik oder SiC zu erzeugen, ohne Risse oder Verzerrungen hervorzurufen.Material durch nicht-thermische Ablation entfernen, was echte funktionelle Mikrostrukturen im Mikrometermaßstab ermöglicht.

4. Warum die industrielle Pikosekundenbearbeitung ein Systemproblem ist

Der Vorteil von Pikosekundenlasern liegt nicht allein am Laser, sondern hängt von der gesamten Bewegung, Steuerung und dem optischen System ab.

• Mehrsachsige synchronisierte Bewegung

• Positionierungsgenauigkeit auf Mikronebene

• Programmierbare Werkzeugpfade (G-Code oder CAD-basiert)

• Echtzeitoptische Ausrichtung und Überwachung

Moderne Picosekunden-Mikrobohrplattformen integrieren eine vier Achsen-Bewegungssteuerung, hochvergrößerte CCD-Visionssysteme und eine digitale Steuerung von Lochdurchmesser, -tiefe und -form.Diese Eigenschaften ermöglichen es, die physikalischen Vorteile von Pikosekundenimpulsen in wiederholbare, Produktionskapazität auf Produktionsniveau.

5Schlußfolgerung: Die Zeitskala definiert die Grenzen der Fertigung

Der Unterschied zwischen Nanosekunden- und Pikosekundenlasern liegt nicht einfach in der Geschwindigkeit, sondern darin, ob Material durch Hitze oder durch ultraschnelle Physik entfernt wird.

Während sich die Technik auf Saphiroptik, Diamantwerkzeuge, Keramikkomponenten und breitbandgeschnittene Halbleiter-Substrate ausweitet, erreicht die thermische Verarbeitung ihre Grenzen.Picosekundenlaser stellen den Übergang von der wärmebasierten Bearbeitung zur nicht-thermischen Präzisionsmaterialstrukturen dar.

In diesem Sinne ist die Picosekundenlaserverarbeitung nicht nur ein besseres Werkzeug, sondern auch ein neues physikalisches System für die Fertigung selbst.