Femtosekundenlaser vs. Pikosekundenlaser: Wie wählt man das richtige Mikrobearbeitungswerkzeug?

2025-11-23

In hochpräzisen Bereichen wie der Mikroelektronikfertigung, der Entwicklung medizinischer Geräte und der Bearbeitung optischer Komponenten ist die berührungslose Bearbeitung zu einer zentralen Voraussetzung für die Produktqualität geworden. Femtosekunden- und Pikosekundenlaser, zwei wichtige Werkzeuge der Ultrakurzpulslaser-Familie, stellen Kunden oft vor die Wahl. Wir erläutern Ihnen heute die wichtigsten Konzepte – von Definitionen und Bearbeitungseffekten bis hin zu den Auswahlkriterien.

Was sind die wesentlichen Unterschiede zwischen Femtosekunden- und Pikosekundenlasern?

Femtosekundenlaser und Pikosekundenlaser werden nach ihrer Pulsdauer benannt.

Aus der Definition von „Zeit“

Die „Pulsdauer“ eines Lasers bestimmt direkt die Effizienz der Energieübertragung auf Materialien.

Pikosekundenlaser (ps): Die Pulsdauer beträgt ungefähr 10⁻¹² Sekunden (eine Billionstel Sekunde).

Femtosekundenlaser (fs): Die Pulsdauer beträgt nur 10⁻¹⁵ Sekunden (eine Billiardstel Sekunde), was 1/1000 einer Pikosekunde entspricht. Wenn eine Pikosekunde ein „Augenblick“ ist, dann ist eine Femtosekunde „der Augenblick innerhalb eines Augenblicks“.

Die unten stehende, intuitivere Zeitumrechnung hilft Ihnen, die „ultraschnelle“ Skala schnell zu verstehen:

1 Sekunde = 10³ Millisekunden = 10⁶ Mikrosekunden = 10⁹ Nanosekunden = 10¹² Pikosekunden = 10¹⁵ Femtosekunden = 10¹⁸ Attosekunden (as)

Zu ihnen gehören Attosekundenlaser: Ihre Pulsdauer ist kürzer (10⁻¹⁸ Sekunden), wodurch sie theoretisch ultraschnelle Prozesse auf atomarer Ebene erfassen können. Sie befinden sich jedoch noch im Forschungsstadium und haben noch keine industrielle Anwendung gefunden. Femtosekunden- und Pikosekundenlaser hingegen sind in ausgereiften kommerziellen Anwendungen etabliert und die gängigste Wahl für die aktuelle Mikro- und Nanobearbeitung.

Verarbeitungseffekte

Unterschiede in der Pulsdauer beeinflussen direkt die Spitzenleistung. Man kann sich Laserenergie wie eine Stoßwelle vorstellen: Je kürzer die Einwirkungszeit, desto konzentrierter die Energie und desto sauberer der Materialabtrag. Bei gleicher Pulsenergie und Wellenlänge ermöglichen Femtosekundenlaser eine feinere Fokussierung und erfüllen somit die Anforderungen der Submikrometerbearbeitung.

Technologie	Pikosekundenlaser	Femtosekundenlaser
Ablationsmechanismus	Photothermischer Ablationseffekt: Energie wird auf das Kristallgitter übertragen, wodurch Materialien schmelzen und verdampfen.	Nicht-thermische Verarbeitung: Multiphotonenionisation, Elektronen absorbieren Energie sofort, und Materialien werden direkt sublimiert und entfernt.
Thermische Einwirkungszone (WEZ)	Mit bloßem Auge sichtbar (15-30 μm)	Nahezu null (
Typischer Wirkungsgrad	Etwas schneller bei der Verarbeitung vieler Materialien	Etwas langsamer als eine Pikosekunde (durch Prozessoptimierung optimierbar)
Burr-Bildung	Extrem niedrig für Metallwerkstoffe	Nahezu keine Grate bei Metallwerkstoffen
Oberflächenrauheit	Gut	Exzellent

Drei typische Szenarien: Wer schneidet besser ab?

Kann es meine Bearbeitungsanforderungen erfüllen? Schauen wir uns die Leistung der beiden in den drei häufigsten Mikro-Nano-Bearbeitungsszenarien an: Bohren, Schneiden und Ätzen.

Bohren

Das Bohren ist ein Kernprozess für elektronische Bauteile (wie Keramiksubstrate, Siliziumwafer) und medizinische Geräte (wie Stent-Mikrobohrungen). Die wichtigsten Anforderungen sind „glatte Bohrlochwände, keine Schlacke und ein gleichmäßiger Bohrlochdurchmesser“.

In hochpräzisen Bereichen wie der mikroelektronischen Fertigung, der medizinischen Nicht- (1)

Löcher, die mit Femtosekunden-Laserpulsen (links) und Pikosekunden-Laserpulsen (rechts) in 500 µm dicke Siliziumwafer gebohrt wurden.

Femtosekundenlaser: Der "Maßstab" für hochpräzise Mikrobohrungen

Die extrem kurze Pulsdauer von Femtosekundenpulsen verhindert die thermische Diffusion des Materials – die Energie sublimiert das Material direkt vom festen in den gasförmigen Zustand (sogenannte Kaltverarbeitung). Nach der Bearbeitung sind die Lochwände glatt, nahezu schlackenfrei und der Lochdurchmesser gleichmäßig. Das Verfahren eignet sich besonders für Anwendungen mit hohen Präzisionsanforderungen, wie z. B. Mikrobohrungen in Halbleitern, medizinische Instrumente (da keine Grate erforderlich sind, um Gewebeschäden zu vermeiden) und optische Komponenten (Mikrobohrungen mit hoher Transmission).

Pikosekundenlaser: Die „effiziente Wahl“ für Anwendungen mit mittleren Präzisionsanforderungen

Pikosekundenlaser ermöglichen höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Allerdings weisen sie thermische Auswirkungen auf: Bei der Bearbeitung tiefer Bohrungen oder dicker Materialien neigen die Bohrungswände zur Bildung von Schmelzschichten, was zusätzliche Nachbearbeitungsschritte erforderlich macht. Sie eignen sich für die Massenproduktion mit einer etwas höheren Toleranz gegenüber Schlacke.

Schneiden

Der zentrale Widerspruch beim Schneiden besteht im Ausgleich zwischen „Geschwindigkeit“ und „Schnittqualität“, und die Materialeigenschaften bestimmen direkt, welcher Laser besser geeignet ist:

Metallbearbeitung: Pikosekunden für Geschwindigkeit, Femtosekunden für Präzision

Metalle besitzen eine hohe Wärmeleitfähigkeit (die Diffusionszeit des erwärmten Bereichs beträgt etwa 1 ps). Sowohl Femtosekunden- als auch Pikosekundenlaser können das Problem der „thermischen Verformung“ herkömmlicher Laser vermeiden, die Unterschiede sind jedoch dennoch deutlich:

Pikosekundenlaser: Dank seiner hohen Wiederholrate ist er beim Schneiden dünner Metalle (z. B. 100 µm Stahlfolie) schneller als Femtosekundenlaser und liefert eine Schnittqualität, die den meisten industriellen Anforderungen genügt. Er ist daher ideal für die Massenproduktion von Metallblechen geeignet.

Femtosekundenlaser: Kann glatte Schnitte ohne thermische Verformung (Ra

In hochpräzisen Bereichen wie der mikroelektronischen Fertigung, der medizinischen Nicht- (2)

Vergleich der Schnittqualität zwischen Femtosekunden-Laserpulsen (links) und Pikosekunden-Laserpulsen (rechts) – Pikosekunden-Laser verursachen Verfärbungen am Schnittrand.

Schneiden von wärmeempfindlichen/transparenten Materialien: Femtosekunden sind die "einzige Lösung"

Bei wärmeempfindlichen Materialien wie Kunststofffolien und Polymeren kann die geringe thermische Ansammlung von Pikosekundenlasern aufgrund der thermischen Belastung zu Verformungen und Karbonisierung führen.

Die „Kaltbearbeitung“ mit Femtosekundenlasern vermeidet diese Probleme vollständig und ermöglicht riss- und partikelfreie Kanten. Sie hat sich zu einem idealen Werkzeug für die Bearbeitung mikrofluidischer Chips entwickelt.

Radierung

Beim Ätzen (insbesondere beim mikrostrukturellen Ätzen) werden strengere Anforderungen an die „thermische Einwirkungszone“ und die „Maßgenauigkeit“ gestellt, und die Vorteile von Femtosekundenlasern werden dabei um ein Vielfaches verstärkt:

Femtosekundenlaser: Dank einer nahezu null thermischen Aufprallzone (

Pikosekundenlaser: Obwohl er auch Oberflächenätzungen durchführen kann, kann die Wärmeentwicklung zu einem „Kollaps“ der Kanten feiner Strukturen führen. Er eignet sich besser für die Bearbeitung verschiedener Mikrostrukturen mit etwas geringerer Präzision und größerem Format.

In hochpräzisen Bereichen wie der mikroelektronischen Fertigung, der medizinischen Nicht- (5)

Mikrotextur-Ätzung von Kontaktlinsen-Transferplatten – Femtosekundenlaser (links) erzeugt sauberere Kanten und eine höhere Oberflächengüte als Pikosekundenlaser (rechts).

Zusammenfassung: 3 Schritte zur Auswahl der richtigen Laserausrüstung

Die Wahl zwischen Pikosekunden- und Femtosekundenlaseranlagen hängt von den jeweiligen Anwendungsanforderungen, Präzisionsvorgaben, Effizienzzielen und Budgetbeschränkungen ab. Drei Schritte zur Unterstützung Ihrer Entscheidung:

Schritt 1: Materialprüfung – Femtosekunden-Lasertechnologie bevorzugt für wärmeempfindliche/transparente/extrem harte Materialien

Bei der Bearbeitung von Polymeren, Keramiken oder transparenten Materialien können die ultrakurzen Pulse des Femtosekundenlasers Risse und Schlackenbildung durch thermische Einwirkung vermeiden. Zudem ermöglicht er durch Mehrphotonenabsorption die dreidimensionale Mikro-Nano-Bearbeitung in transparenten Materialien und ist daher eine zuverlässigere Option.

Bei dünnem Metall mit etwas höherer Toleranz gegenüber thermischen Einwirkungen ist der Pikosekundenlaser effizienter.

Schritt 2: Präzision prüfen – Femtosekunden sind ein Muss für Submikron-/Hochaspektverhältnis-Löcher/3D-Ätzung

Wenn die Anforderungen an Präzision und thermische Belastungszone extrem hoch sind (z. B. Präzisionsbohren von speziell geformten Löchern, Submikrometerbereich (

Schritt 3: Szenario prüfen – Femtosekunden für Forschung und Entwicklung/High-End-Industrie auswählen

Forschungs- und Entwicklungsfeld: Ob es sich um das direkte Schreiben optischer Wellenleiter, die Forschung und Entwicklung von MEMS-Bauelementen oder die Anwendungsforschung neuer Materialien handelt, die hohe Präzision und Flexibilität von Femtosekundenlasern sind ihre Kernvorteile.

Industrieller Anwendungsbereich: Für das Massenschneiden dünner Metallteile und das Array-Bohren bieten Pikosekundenlaseranlagen höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten und eine bessere Kosteneffizienz bei Anwendungen mit geringen Präzisionsanforderungen. Bei der Herstellung von Halbleiterkomponenten, High-End-Medizingeräten oder optischen Komponenten kann die „beschädigungsfreie“ Bearbeitung mit Femtosekundenlasern die Wettbewerbsfähigkeit der Produkte steigern und somit eine langfristige Investition lohnenswerter machen.

Abschluss

Es gibt kein „absolut besseres“ Werkzeug, sondern nur eine „geeignetere“ Wahl. Wenn Ihr Projekt extrem feine Mikrodetails erfordert, ist der Femtosekundenlaser die beste Wahl. Wenn Sie hohe Präzision bei gleichzeitig hoher Geschwindigkeit und geringen Kosten erreichen möchten, ist der Pikosekundenlaser die ideale Option.

Die Integration von Ultrakurzpulslaseranlagen ist äußerst komplex und umfasst zahlreiche Komponenten, die alle sorgfältig konstruiert werden müssen, um die präzise Leistung der Anlagen zu gewährleisten. Als auf Femtosekundenlasertechnologie spezialisiertes Unternehmen bietet MONO eine Reihe von Femtosekundenlaseranlagen für die stabile industrielle Serienproduktion sowie für Forschung und Entwicklung. Für weitere Fragen und eine individuelle Lösung für Ihre Produkte kontaktieren Sie uns bitte.