Femtosekunde

Eine Femtosekunde ist 10 hoch minus 15 Sekunden, oder 0,000000000000001 Sekunden. Das Präfix Femto- folgt der SI-Nomenklatur: Kilo, Mega, Giga, Tera, Peta, Femto, Atto. In dieser Zeitskala legt Licht im Vakuum etwa 300 Nanometer zurück, ungefähr die Wellenlänge von ultravioletter Strahlung. Für industrielle Messung und Materialbearbeitung bedeutet eine Femtosekunden-Pulsdauer, dass der Impuls eingeschlagen und wieder weg ist, bevor sich die Wärmeleitung nennenswert in das umgebende Material ausbreitet.

Femtosekunden-Pulse werden von modengekoppelten Lasern erzeugt, am häufigsten von Faserlasern und Festkörperlasern (oft mit Ytterbium oder Erbium dotiert). Ein modengekoppelter Laser zwingt mehrere Längsmoden dazu, in Phase zu schwingen, was zu einer Serie extrem kurzer Pulse statt kontinuierlicher Ausgabe führt. Wiederholungsraten reichen von Kilohertz bis Megahertz, je nach Resonatoraufbau und Anwendung. Die Spitzenleistung während eines Femtosekunden-Pulses kann Gigawatt erreichen, obwohl die Durchschnittsleistung relativ bescheiden ist, weil die Energie in ein außergewöhnlich kurzes Fenster komprimiert wird.

Industrielle Anwendungen

Femtosekunden-Laser dominieren die Präzisionsmikrozerspanung von Metallen, Keramiken, Gläsern und Kunststoffen. Die extreme Intensität konzentriert Energie in einem winzigen Volumen und trägt Material sauber ab, ohne thermische Schäden in der umgebenden Zone zu verursachen. Bohrungen in Turbinenschaufeln, Oberflächen von Implantaten mit Mikromustern gekennzeichnet, und komplexe Geometrien, die in Silizium geschnitten werden, alle nutzen diesen thermallosen Ablatmechanismus. Das Fehlen einer nennenswerten wärmebeeinflussten Zone bedeutet minimale Gratbildung, kein Schmelzen und keine Rissbildung in spröden Materialien.

In der Metrologie und Inspektion ermöglichen Femtosekunden-Pulse optische Kohärenztomografie (OCT) und Time-of-Flight-Messungen mit Mikrometerauflösung. Die kurze Pulsdauer bestimmt die erreichbare Tiefenauflösung bei optischem Schichten. Messsysteme nutzen auch die ultraschnelle nichtlineare Wechselwirkung: zwei oder mehr Femtosekunden-Photonen können gleichzeitig absorbiert werden, was direkte Messungen von Oberflächenmerkmals ermöglicht, die einen einzelnen längeren Puls zerstreuen würden.

Femtosekunden-Amplified Spontaneous Emission (ASE) und Superkontinuum-Erzeugung treiben die Technologie weiter voran. Wenn ein fs-Puls durch nichtlineare Medien ausbreitet, verbreitert sich sein Spektrum dramatisch und erzeugt eine weiß-licht-ähnliche Ausgabe, die sichtbare und nahinfrarote Bänder übergreift. Dieses Superkontinuum ermöglicht Breitband-Pump-Probe-Spektroskopie und Mehrwellenlängen-Bildgebung in Herstellungsdiagnostiken. Femtosekunden-Systeme erfordern jedoch sorgfältige optische Justage, regelmäßige Wartung des Laser-Resonators und Bewusstsein dafür, dass kumulative Exposition gegenüber ultravioletter Ausgabe von frequenzkonvertierten Pulsen Gefährdungen am Arbeitsplatz mit sich bringt.