Physikalische Grundlagen beim Laserschneiden

Gelasertes Fahrrad mit CO2-Laser, extrem filigrane Konturen aus Edelstahl 1.4301
Gelasertes Fahrrad mit CO2-Laser aus Edelstahl 1.4301

Das Kunstwort „LASER“ steht als Abkürzung für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Übersetzen lässt es sich mit: „Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Eine andere Übersetzung lautet „Licht angeregter Strahlung, emittierender Resonator“, die zwar ein wenig hölzern klingt, jedoch den Vorteil besitzt als Abkürzung ebenso dem Begriff "LASER" zu entsprechen.

Aus der Natur bekannt sind uns die thermischen Lichtquellen, allen voran die Sonne oder auch die Glühlampe. Thermische Lichtquellen breiten sich konzentrisch aus, die emittierten Wellen verlaufen radial zum Zentrum der Strahlungsquelle und unterscheiden sich damit wesentlich von der Wellenform eines Lasers, die eher durch einen axialen Verlauf beschrieben werden kann.

Die Besonderheit des Lasers liegt in einer gerichteten Aussendung der Laserstrahlung, die spektral scharf gekennzeichnet ist. Die entscheidenden Parameter für das Laserlicht sind:

  1. Kohärenz: Kohärenz bezeichnet man in den Naturwissenschaften elektromagnetische Wellen, die hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen Ausbreitung eine feste Phasenbeziehung zeigen. Kohärente Strahlung wird von Lasern und Teilchenbeschleunigern erzeugt.
  2. Niedrige Divergenz: Laserstrahlung besitzt die Eigenschaft sich nur wenig auseinander zu entwickeln. Laserstrahlung lässt sich auf einen kleinen Fokusdurchmesser bündeln.

Dies ist zwei der wesentlichen Voraussetzungen für eine Lasermaterialbearbeitung (Abk. "LMB").

Historie des Laserschneidens: Eine Kurzübersicht

1917 Albert Einstein legt das physikalische Fundament

1960 Maiman, USA: Bewies als erster den Lasereffekt im Rubinlaser

1962 Siemens: Erster kontinuierlich strahlender He-Ne-Laser

1962 Erster Diodenlaser

1965 Herziger, DE: Einsatz des Laser zum Bohren von Diamant

1978 Erste industrielle Schneidanlage

1985 Trumpf: erster 1 kW CO2-Laser mit Hochfrequenzanregung

1987 3D-Systems, USA: Entwicklung generativer Laserverfahren

1988 Erste Pumpen mit Diodenlaser

1991 IPG, USA: Erste kommerzielle Faserlaser im Watt-Bereich (50-100 W)

1999 Trumpf: Erster diodengepumpter Scheibenlaser mit 1kW

2020: Stand heute: IPG, USA: 20-25 kW Faserlaser für Industrie und 30 kW Labor

Der Laser schneidet heute im Mikrobereich Stands für den Blutkreislauf, Uhrenwerke und andere Kleinstanwendungen. Der Laser schneidet aber auch Rohre und Metalle auch in XXL-Größen bis 25.000 mm Schneidlänge und auch darüber hinaus. Er schneidet mannlos vollautomatisiert dreischichtig und er schneidet zur Zeit in bis zu 50 mm dicken Stahl und Edelstahl oder bis 40 mm Aluminium und auch andere Stoffe.

 

Ein Laser wird durch drei Grundelemente beschrieben:

  1. Laseraktives Medium
  2. Einheit zur Anregung der Energie (Pumpen)
  3. Resonator (Laserresonator, optischer Resonator, meist in Form eines voll- und eines teilreflektierenden Spiegels, der die Rückkopplung der im aktiven Lasermedium emittierten elektromagnetischen Strahlung in einem Laser erlaubt)

Prinzip, Schaubild eines Laserstrahls mit Spiegel und Auskoppeloptik, Laserresonator
Funktionsweise eines Laserresonators, Erzeugung des Laserstrahls: Schaubild

In einem lasergeeigneten Material wird durch ein geeignetes Pumpsystem Energie eingebracht, so dass im lasergeeigneten Material eine Strahlung angeregt wird. Der Laserstrahl wird nun solange zwischen den beiden Spiegeln reflektiert, bis er einen bestimmten Energiewert erreicht hat. Mit Hilfe einer Auskoppelloptik verläßt der Laserstrahl das Medium und wird je nach Wellenlänge über eine geeignete Vorrichtung bis zur Fokussieroptik im Strahlkopf geleitet.

Wurde als laserfähiges Medium Gas beispielsweise CO2 verwendet, so kann der Strahl aufgrund seiner Wellenlänge von 10,6 µm nur über Spiegelsysteme geleitet werden. Wurde als laserfähiges Medium Ytterbium oder Neodyn:YAG eingesetzt, so weist seine Wellenlänge 1,06 µm auf und der Strahl kann hervorragend über Glasfasern bis zur Fokussieroptik auch über weite Strecken geleitet werden.  

Der CO2-Laser verfügt über die größte Wellenlänge von 𝜆 = 10,6 µm. Excimerlaser hingegen haben die kürzeste Wellenlänge von ca. 157 - 308 nm und benötigen hohe Pumpleistungen für die Anregung des Resonators, aufgrund hoher spontaner Emissionen, die bei kurzen Wellenlänge hohe Frequenz auftreten. 

Laseraktive Materialien für Resonatoren

Laseraktivität kann bei einer Menge an Materialien festgestellt werden. Allerdings eignen sich nicht alle laseraktiven Materialien für eine Laseranwenung, wenn deren Effizienz nicht gewährleistet ist. Grundsätzlich lassen sich die Stoffe in drei Gruppen unterteilen: 

  1. Gase (z.B. CO2-Molekül, He-Ne, Excimere)
  2. Festkörper (Nd:YAG, Ti:Saphir, Yb oder Dotierte Glasfasern)
  3. Halbleiter (GaAs, ZnSe, Ga, Ni)

Wellenlänge bestimmter laseraktiver Materialien für die Materialbearbeitung:

Je nach verwendetem Material besitzt der Laser eine spezifische Wellenlänge.

  • Excimerlaser: 157nm - 308 nm EUV-UV
  • He-Ne-Laser: 633 nm VIS sichtbarer Bereich
  • Diodenlaser: 808 nm NIR nahes Infrarot
  • Nd: YAD-Laser (Faserlaser): 1,06 µm. NIR nahes Infrarot
  • CO2-Laser: 10,6 µm NIR nahes Infrarot

Der CO2-Laser verfügt über die größte Wellenlänge von 𝜆 = 10,6 µm. Excimerlaser hingegen haben die kürzeste Wellenlänge von ca 157 - 308 nm und benötigen hohe Pumpleistungen für die Anregung des Resonators, aufgrund hoher spontaner Emissionen, die bei kurzen Wellenlänge hohe Frequenz auftreten. 

Diese materialtypische Wellen bestimmt nun im wesentlichen den Einsatz in der Materialbearbeitung, respektive dem Schneiden.

Voraussetzungen für die Materialbearbeitung mit dem Laser:

  • Hohe Monochromasie (spektral scharf)
  • Fokussierbarkeit, hohe Energiedichte
  • Große Kohärenz (Wellen haben eine feste Phasenbeziehung in räumlicher und zeitlicher Ausbreitung)
  • Erzeugung kurzer Impulse
  • Geringe Divergenz, kein Auseinanderentwickeln der Strahlung


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