Schema der Laser-Plasma-Wechselwirkung an der Materialoberfläche bei der Ultrakurzpuls-Lasermaterialbearbeitung
Quelle: BAM, Fachbereich Grenzflächenprozesse und Korrosion
Die Entwicklung der ehemals exotischen Ultrakurzpulslaser (UKPL) hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht. Kommerzielle UKPL emittieren heute mittlere Leistungen bis zum Kilowatt-Niveau bei Pulsfolgefrequenzen bis in den MHz-Bereich. Es werden stabil Laserpulse mit Dauern im Piko- und Femtosekundenregime generiert. Diese moderne Lasertechnik ist inzwischen der Schlüssel für eine Vielzahl von Anwendungen in der industriellen Lasermaterialbearbeitung im Mikro- und Nanometermaßstab. Dabei werden die Vorteile des geringen Wärmeeintrags in das Material ebenso genutzt wie die Tatsache, dass ultrakurze Laserpulse nahezu werkstoffunabhängig universellen Einsatz in der Materialbearbeitung erlauben. So gelingt die Bearbeitung von Stahl bis Glas wie auch die Modifikation komplexer Verbundmaterialien bis hin zu empfindlichen biologischen Objekten. Natürlich soll die Lasermaterialbearbeitung bei der Nutzung von UKPL auch sicher sein. Die primäre Gefährdung durch die Laserstrahlung selbst ist gut bekannt und entsprechende Schutzmaßnahmen, wie der Einsatz von Laserstrahlkabinen und Schutzbrillen, werden ergriffen und sind bereits normativ geregelt. Sekundäre Gefährdungspotenziale wie die Emission von Röntgenstrahlung müssen zunehmend beachtet werden. Beim Einsatz hoher Laser-Intensitäten auf dem Werkstück kann unerwünscht auch Röntgenstrahlung erzeugt werden, indem während des Bearbeitungsprozesses an der Materialoberfläche ein hoch angeregtes, laserinduziertes Plasma erzeugt wird, das durch den Laserpuls selbst nachgeheizt wird und schließlich durch Rückkopplung mit dem bearbeiteten Werkstück ursächlich für die Röntgenerzeugung ist (siehe Abbildung). Die neuerdings verfügbaren hohen Laser-Pulsfolgefrequenzen können so zur Strahlungsakkumulation und zu Röntgendosen über den erlaubten Grenzwerten für die Exposition des Menschen führen. Im Rahmen des vom Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) geförderten Projektes Bestimmung von Strahlenschutzszenarien als Voraussetzung für eine nachhaltige Gewährleistung des Strahlenschutzes beim Umgang mit Ultrakurzpuls-Lasern u.a. zur Unterstützung eines einheitlichen Vollzugs haben die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und die BAM gemeinsam Untersuchungen an leistungsstarken Laseranlagen der Schott AG vorgenommen. Die Ergebnisse dieser dosimetrischen und spektrometrischen Messungen von laserinduzierten Röntgenemissionen in einer realistischen industriellen Arbeitsumgebung zeigen, dass das Auffinden von Worst-Case-Röntgenemissionen unter Referenzbedingungen ein komplexer Prozess ist. Die gemeinsam von der PTB, der Schott AG und der BAM erarbeiteten und publizierten Resultate werden unmittelbar Beachtung in der Regulierung finden.
X-ray emission hazards from ultrashort pulsed laser material processing in an industrial setting
U. Stolzenberg, M. Schmitt Rahner, B. Pullner, Herbert Legall, Jörn Bonse, M. Kluge, A. Ortner, B. Hoppe, Jörg Krüger
veröffentlicht in Materials, Vol. 14, Artikel 7163, Seite 1 - 17, 2021
BAM Fachbereich Grenzflächenprozesse und Korrosion