Historie zum Laser und wo gehen die Entwicklungen hin?

Die Grundlagen gehen zurück auf eine, die 1916/1917 Albert Einstein in seinen Arbeiten zur Quantentheorie des Lichts veröffentlichte und dort den Prozess der stimulierten Emission beschrieb. Seine Idee bestand darin, dass ein Lichtteilchen (Photon) ein Atom dazu anregen kann, ein weiteres, exakt identisches Photon auszusenden. Damals hatte noch niemand das Laserschneiden vor Augen.

Von der Theorie kam es 1960 zur Praxis: Über 40 Jahre nach Einsteins Berechnungen baute Theodore Maiman 1960 den ersten funktionierenden Rubinlaser.

Der Sprung zum Laserschneiden: Kurz nach der Erfindung des ersten Lasers begannen Ingenieure, den gebündelten, energiereichen Lichtstrahl für die präzise Bearbeitung und das Schneiden von Werkstoffen (wie Metallen) einzusetzen. Heute basieren industrielle Fertigungsprozesse wie das Laserschneiden direkt auf diesem von Einstein vorhergesagten Prinzip.

Der Kohlenstoff-Laser wurde 1964 von den Bell Laboratories USA patentiert. Er erlebte seine Hochzeit in Deutschland seit den 1980er Jahren bis ca. um 2010. Rund 30 Jahre dominierte das CO₂-Laserverfahren den Markt. Seine Entwicklung endete mit dem 6 kW-Laser in der industriellen Schneidwelt. In anderen Anwendungen und Laboren existierten durchaus auch Laserleistungen bis 80 kW. Doch für das Schneidverfahren musste der Laserstrahl über wartungs- und reparaturanfällige, teure Spiegel, die zum Transport der Laserstrahlung erforderlich sind, gelenkt werden und damit war auch die beherrschbare Leistungsausbeute begrenzt - über diese 6 kW ging man kaum hinaus.

Der Faserlaser zählt zu einer speziellen Gruppe der Festkörperlaser. Laserschneidanlagen mit Festkörperlasern gab es zwar bereits seit den 1980er Jahren, doch waren damals die Laserleistungen noch gering. Zu Beginn lagen die Laserleistungen in der Größenordnung 50 - 100 Watt und spielten daher in weiten Bereichen der Industrie nur eine untergeordnete Rolle. Erst mit der preiswerten Produktion des Faserlasers und einer relevanten Leistung von 1 kW und mehr begann der enorme Aufstieg dieses Schneidverfahrens, dessen Vorteil unter anderem in der einfachen und preiswerten Übertragung des Laserstrahls über eine Glasfaserleitung liegt.

Historie des Lasers: 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

2020-2021: IPG, USA: 20-25 kW

ab 2022: Faserlaser für Industrie und 30 kW

Dass der Laser in der Medizin aber auch in der Industrie nicht mehr wegzudenken ist, ist weitläufig bekannt. Der Laser findet seinen Einsatz bei Scannern für selbstfahrende Fahrzeuge oder zur Vermessung von Gegenständen. Doch die neusten Laser-Applikationen versetzen immer mehr Akteure ins Staunen und manche der hier vorgestellten Laseranwendungen gelten bereits als Standard:

1. Mit Hilfe des Lasers holographische Bilder im freien Raum erzeugen, die auf Berührung reagieren, wie mit einer Tastatur
2. Mit Laserscannern die Straße nach verdeckten Schlaglöchern abscannen und das auf 4m Breite bei einer Scangeschwidigkeit von 100 km/h
3. Mit Laser Unkraut auf Feldern und in Gärten beseitigen, natürlich von fliegenden Drohnen
4. Mit dem Laser Sprengstoff aus 100 m Entfernung erkennen, auch durch Koffer hindurch
5. Laser als Ersatz für Xenon-Lampen in Kraftfahrzeugen - heute bereits Standard
6. Laserstrahl ersetzt Zündfunke in Verbrennungsmotoren - heute wenig Zukunft
7. Laserbohrer für die fast schmerzfreie Karriesbehandlung - heute machbar
8. Laser erzeugt Regentröpfchen in der Luft, zwecks Wetterbeeinflussung
9. Lasereinsatz bei 3D-generativem Verfahren erzeugt Gegenstände aus pulverisiertem Material bestehend aus Stein, Metallen, Kunststoffen etc., die komplexere Geometrien und Strukturen aufweisen können, als Gegenstände, die durch konventionelle Bearbeitungen (Fräsen, Drehen, Schweißen etc.) gewonnen werden - heute bereits Standard.
10. In der Schweiz wurde erprobt, in wie weit sich Blitze mit dem Laser ablenken bzw. kompensieren lassen.
11. Installation von Hochleistungslasern auf Kriegsschiffe und anderen Fahrzeuge zum Abfangen von anfliegenden Raketen und Drohnen.

Nicht jede der hier vorgestellten Laser-Innovationen ist schon alltagstauglich (Stand 2022) - aber es ist ein Beleg für die Schaffenskraft menschlichen Erfindungsgeistes und die vielfältigen Möglichkeiten dieser kohärenten Strahlung. Und wir stehen noch am Anfang der Laserära.

Der Laser als Schneidwerkzeug im Metallbereich hat sich etabliert.

• Er schneidet 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 (Stand Oktober 2024) in bis zu 800 mm dicken Stahl und auch andere Metalle und Stoffe.

Literaturempfehlungen und Quellhinweis

^*1 Jens Bliedtner, Hartmut Müller, Andrea Barz: "Lasermaterialbearbeitung", Hanser-Verlag, ISBN:978-3-446-42168-4
Prof. Jens Bliedtner und Dr. Hartmut Müller waren geladene Referenten am Deutschen Schneidkongress® 2018.
Dr. Hartmut Müller, Referatstitel: "Glas schneiden mit dem Laser"

J. Eichler, H. J. Eichler: "Laser Bauformen, Strahlführung, Anwendungen", Springer-Verlag, ISBN: 978-3-540-30149-3