In situ Diagnostik zur Optimierung von Ultrakurzpuls-Abtragsprozessen in transparenten Materialien

Großmann, Daniel Günther; Ostendorf, Andreas; Gillner, Arnold

doi:45524

In situ Diagnostik zur Optimierung von Ultrakurzpuls-Abtragsprozessen in transparenten Materialien = In situ diagnostics for optimizing ultrashort pulsed ablation processes in transparent materials

Großmann, Daniel Günther^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Daniel Günther Großmann

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Gillner, Arnold (Thesis advisor)^RWTH* ; Ostendorf, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-07-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06733
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1038749/files/1038749.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Abtrag (frei) ; Glas (frei) ; Lasermaterialbearbeitung (frei) ; Modifikation (frei) ; UKP-Laser (frei) ; USP-laser (frei) ; ablation (frei) ; laser processing (frei) ; pump-probe (frei) ; transparent materials (frei) ; ultrashort pulse (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist die Optimierung von Abtragsprozessen in transparenten Materialien mittels ultrakurz gepulster Laserstrahlung, um die Prozessqualität hinsichtlich Werkstückschädigung und geometrischer Präzision für industrielle Anwendungen zu steigern. Den Schwerpunkt bildet die Fragestellung, wie der zeit- und ortsaufgelöste Verlauf der nichtlinearen Absorption und der resultierenden Materialschädigung durch spezifische Pulsparameter und Prozessstrategien gezielt gesteuert werden kann. Als methodische Grundlage dienen zwei neu entwickelte Pump-Probe-Systeme zur transversalen, bildgebenden in situ Analyse mit Femtosekunden-Zeitauflösung. Diese erlauben die direkte Korrelation transienter Mechanismen mit dem finalen Bearbeitungsresultat, wobei ein auf einem industriellen Lasersystem basierender Aufbau erstmals praxisnahe Prozessparameter wie hohe Repetitionsraten erschließt. Der Aufbau der Arbeit folgt einer systematischen Steigerung der Prozesskomplexität, deren Basis die Untersuchung der Volumenabsorption bildet. Die in situ Analyse im Glasvolumen grenzt verschiedene Absorptionsregime ab und zeigt, dass Pikosekundenpulse zu einer stärkeren, lokalisierten Modifikation führen, während Femtosekundenpulse bei geringer numerischer Apertur ausgedehnte Filamente erzeugen. Bei Multi-Puls-Prozessen wird zudem ein bisher undokumentierter Selbstorganisationseffekt identifiziert, der zu einer periodischen, räumlichen Modulation der Absorption führt. Beim klassischen Frontseiten-Abtrag zeigt die Visualisierung während der Kraterentstehung, wie die sich ändernde Geometrie die Pulspropagation stört. Als wesentlicher Schädigungsmechanismus wird dabei die Bildung transienter Risse identifiziert, die wenige Nanosekunden nach der Pulsabsorption entstehen. Die darauffolgende Untersuchung des Rückseiten-Abtrags belegt, dass diese Störungen durch die veränderte Bearbeitungsrichtung vermieden und typische Schadensmechanismen gezielt unterbunden werden können. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird eine optimierte Prozessstrategie für den Rückseiten-Abtrag mit Pikosekundenpulsen bei hoher numerischer Apertur im Wasserbad entwickelt und durch die Herstellung hochpräziser Mikrobohrungen sowie komplexer 3D-Strukturen demonstriert. Zusammenfassend ermöglicht das durch die in situ Analyse gewonnene, fundamentale Prozessverständnis die direkte Entwicklung optimierter Bearbeitungsverfahren. Das industrienahe Pump-Probe-System stellt dabei eine wesentliche Basis zur zukünftigen Untersuchung praxisnaher Prozesse dar. Zugleich liefert diese Arbeit eine breite wissenschaftliche Grundlage zur Dynamik der nichtlinearen Laser-Material-Wechselwirkung für weiterführende Forschungen.

This thesis investigates the optimization of ablation processes in transparent materials using ultrashort pulsed laser radiation to enhance process quality in terms of reduced workpiece damage and improved geometric precision for industrial applications. The core research question addresses how the spatiotemporal evolution of nonlinear absorption and the resulting material damage can be specifically controlled by the choice of pulse parameters and processing strategies. Two newly developed pump-probe systems for transversal, imaging in situ analysis with femtosecond time resolution serve as the methodological foundation. These setups allow for the direct correlation of transient mechanisms with the final machining result, with one setup based on an industrial laser enabling the unprecedented investigation of industry-relevant process parameters such as high repetition rates. Following a systematic increase in process complexity, the investigation of bulk absorption forms the foundation of this work. The in situ analysis within the glass bulk differentiates between various absorption regimes, revealing that picosecond pulses lead to a stronger, localized modification, whereas femtosecond pulses at a low numerical aperture generate extended filaments. In multi-pulse processes, a previously undocumented self-organization effect is additionally identified, leading to a periodic, spatial modulation of the absorption within the material bulk. During conventional front-side ablation, visualization of the crater formation reveals how the evolving geometry perturbs pulse propagation. The formation of transient cracks, arising a few nanoseconds after pulse absorption, is identified as a key damage mechanism. The subsequent investigation of targeted rear-side ablation demonstrates that the altered processing direction avoids these perturbations, allowing typical damage mechanisms to be specifically suppressed. Building upon these findings, an optimized process strategy for rear-side ablation with picosecond pulses at a high numerical aperture in a water bath is developed and demonstrated through the fabrication of high-precision microholes and complex 3D structures. In conclusion, the fundamental process understanding gained through in situ analysis enables the direct development of optimized processing strategies. The industry-relevant pump-probe system provides an essential foundation for future application-oriented research. Simultaneously, this thesis delivers a broad scientific basis regarding the dynamics of nonlinear laser-material interaction for subsequent fundamental studies.

OpenAccess:
PDF
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