Unterschiede zwischen Femtosekundenlasern und Pikosekundenlasern

Femtosekundenlaser- und Pikosekundenlaser-Systeme sind Ultrakurzpulslasergeräte, die in der Präzisionsbearbeitung, medizinischen Behandlung und wissenschaftlichen Forschung eingesetzt werden. Ihre Impulsbreiten unterscheiden sich um mehrere Größenordnungen, was zu erheblichen Unterschieden in den Wechselwirkungsmechanismen zwischen Licht und Material führt. Daher weisen sie bei der Bearbeitungsqualität, der Kontrolle thermischer Effekte und der Materialverträglichkeit unterschiedliche Eigenschaften auf.

1. Vergleich der Impulsbreite

Femtosekundenlaser-Impulsbreite: in der Größenordnung von 10⁻¹⁵ s

Pikosekundenlaser-Impulsbreite: in der Größenordnung von 10⁻¹² s

Je kürzer die Impulsbreite, desto kürzer die Zeit für die Energieeinkopplung in das Material, wodurch eine signifikante thermische Diffusion verhindert und ein „kalt bearbeitender“ Charakter entsteht. Femtosekundenlaser bieten innerhalb des Ultrakurzpulsbereichs eine höhere Spitzenleistungsdichte und eine geringere thermisch beeinflusste Zone.

2. Licht-Material-Wechselwirkungsmechanismus
2.1 Pikosekundenlaser

Pikosekundenpulse können Photoionisation mit hoher Spitzenleistung erreichen. Durch Mehrphotonenabsorption und nichtlineare Effekte erfolgen schnelles Schmelzen und Verdampfen des Materials. Während der Bearbeitung existiert dennoch eine gewisse wärmeeinwirkungsbehaftete Zone. Pikosekundenlaser eignen sich für die Mikrobearbeitung von Metallen, Keramiken und Glas.

2.2 Femtosekundenlaser

Femtosekundenpulse bieten eine höhere Spitzenleistung und können Elektronenanregung und Bindungsbruch innerhalb eines extrem kurzen Zeitraums abschließen, wodurch ein nicht-thermischer Ablationsmechanismus entsteht. Es bildet sich nahezu keine geschmolzene Schicht und es entstehen minimale Rückstände, weshalb sie sich für thermisch empfindliche Materialien oder hochpräzise Strukturen mit geringer Schädigung eignen.

3. Anwendungsbereiche
3.1 Anwendungen von Pikosekundenlasern

Mikrogravur von Metallen

Bohren in Glas und Oberflächenritzung

PCB-Kennzeichnung und Mikrobohrung

Oberflächenstrukturierung und schonende Reinigung von Handygehäusen

Medizinische Dermatologiegeräte

Picosekundenlaser bieten Stabilität in industriellen Produktionsumgebungen und eignen sich für Bearbeitungsaufgaben mit mittlerer bis hoher Präzision.

3.2 Anwendungen von Femtosekundenlasern

Präzise innere Gravur von optischem Glas und Materialmodifikation

Dicing von Halbleiterwafern und materialschonendes Schneiden

Augenchirurgie an der Hornhaut

Bearbeitung von Polymeren und spröden Materialien mit geringer thermischer Belastung

Femtosekundenlaser sind für die hochwertige Fertigung und wissenschaftliche Forschung geeignet und erfordern eine höhere Umweltstabilität.

4. Prozessunterschiede

Picosekundenbearbeitung: Das Material weist Mikroschmelzphasen mit leichten Nachgusslagen auf, was oft eine Nachbearbeitung erforderlich macht; geeignet für Aufgaben mit mittlerer Geschwindigkeit und mittlerer Präzision.

Femtosekundenbearbeitung: Das Material wird direkt ionisiert und entfernt, ohne zu schmelzen oder zu verkohlen, wodurch glatte Kanten entstehen; geeignet für hochpräzise und ultramikroskopische Fertigung.

5. Grundsätze zur Geräteauswahl

Kostengetriebene Anforderungen: Pikosekundenlaser wählen.

Hochpräzise Anforderungen mit minimalem Wärmeeintrag: Femtosekundenlaser wählen.

Mikrofertigung von Glas, Wafern und Polymeren: Femtosekundenlaser bevorzugen.

Metallgravur, Kennzeichnung und Mikrobohrung: Pikosekundenlaser bieten eine bessere Kosten-Leistungs-Relation.

Femtosekundenlaser weisen eine kürzere Impulsdauer und eine höhere Spitzenleistung als Pikosekundenlaser auf, wodurch eine nahezu thermischeffektfreie Bearbeitung ermöglicht wird. Pikosekundenlaser bieten Vorteile hinsichtlich Kosten, Stabilität und universeller Bearbeitungsfähigkeiten. Anwender sollten die geeigneten Ultrakurzpulslaser-Geräte basierend auf den Prozessanforderungen, der erforderlichen Präzision, den Materialeigenschaften und dem Budget auswählen.