Grundlegender Überblick über Industrielaser

In aktuellen industriellen Anwendungen kommen fünf Haupttypen von Lasern zum Einsatz, die in der nachstehenden Tabelle aufgeführt sind. Die einzelnen Typen lassen sich wiederum nach Anregungsart, Betriebsmodus (Dauerbetrieb, gepulster Betrieb) und weiteren Parametern unterteilen. Jeder Typ hat seine Vor- und Nachteile sowie typische Anwendungsbereiche, für die er geeignet ist.

Die Tabelle bietet einen sehr grundlegenden Überblick über die einzelnen Lasertypen, weshalb die angegebenen Parameter mit einer gewissen Vorsicht zu betrachten sind.

Laser Wellenlänge (nm) Anregung Effekt und Betriebsart b Leistung / Energie Typische Anwendungen c Wartung Lebensdauer (h)
Nd:YAG 1064 LD ~7 % CW bis zu 6 kW R, S ja ~10.000
gepulst* ~ mJ@ns (~100 W) Z,G
Lampen ~3 % gepulst* ~ J@ms (~600 W) S,V ~1000
CO ₂ 10 600 RF ~10 % CW / gepulst 10–250 W Z, G, Ř nk. ja ~20.000
bis zu 5 kW (Slab) Ř, S
Elektro ~25 % bis zu 20 kW (Durchlauferhitzer) R, S --
Scheibenbremse 1070 LD ~15 % CW bis zu 16 kW R,S ja ~10.000
Faser 1070 LD ~30 % CW bis zu 80 kW R,S ne ~100.000
QCW ~ J@ms (~1,2 kW) Z, G, M
Puls ~ mJ@ns (~100 W) Z, G, M
Diodenbetrieb 808–980 Elektr. ~60 % CW bis zu 10 kW S, K, N ne ~15.000

Grundlegender Überblick über Industrielaser. 
a Wirkungsgrad (Effizienz) der Umwandlung von elektrischer Energie in Licht (optische Energie)
b Bei gepulsten Lasern werden die Energie pro Puls und die Pulsdauer angegeben, gegebenenfalls die mittlere Leistung (in Klammern). CW – kontinuierlich, QCW – quasi-kontinuierlich.
c R – Schneiden, S – Schweißen, Z – Markieren, G – Gravieren, K – Härten, N – Beschichten, M – Mikrobearbeitung, nk – Nichtmetalle.
Anregung: LD – Laserdioden, RF – Hochfrequenz, El. – elektrisch (Entladung, Strom).

Nd:YAG-, Faser- und Scheibenlaser

Diese drei Lasertypen haben eine Wellenlänge von ~1 µm und gehören zur Klasse der Festkörperlaser ( Solid-State ) – das aktive Medium bildet eine Matrix aus künstlichem YAG- ( Yttrium-Aluminium-Granat ), das mit Neodym- (Nd) oder Ytterbium- (Yb) Ionen dotiert ist. Der Hauptunterschied zwischen diesen Lasertypen liegt in der Geometrie des aktiven Mediums (siehe Abbildung unten) – beim Nd:YAG-Laser ist das aktive Medium ein Stab (Länge 15–20 cm, Durchmesser ~mm), beim Scheibenlaser ist es eine dünne Scheibe (Durchmesser 10 mm, Dicke 0,25 mm) und beim Faserlaser ein langes optisches Faserbündel (Länge ~m, Durchmesser 50–300 µm).

Ein enormer Vorteil dieser drei Lasertypen ist die Möglichkeit, ihre Strahlung mit einer Wellenlänge von ca. 1 µm über ein flexibles optisches Faser zu leiten, was die „Übertragung“ der Strahlung vom Laser zum Bearbeitungsort erheblich erleichtert.

Nd:YAG-Laser

Von den genannten Typen ist dies der historisch älteste, der in der Industrie eingesetzt wird. Es werden Nd:YAG-Laser verwendet, die entweder durch Entladungslampen (LPSS – lamp pumped solid state) oder durch Laserdioden (DPSS – diode pumped solid state ) angeregt werden.

LPSS-Nd:YAG-Laser weisen einen geringen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektrischer in Lichtenergie auf, da ein großer Teil der Energie der Entladungslampe nicht genutzt wird und in Wärme umgewandelt wird (eine Wasserkühlung ist erforderlich). DPSS-Nd:YAG-Laser weisen einen höheren Wirkungsgrad und eine bessere Strahlqualität auf.

Heutzutage werden LPSS-Nd:YAG-Laser vor allem im Pulsbetrieb für das Laserschweißen (Anwendungen mit Anforderungen an tiefem Durchschmelzen und einer kleinen thermisch beeinflussten Zone) sowie zum Bohren (z. B. in der Luftfahrtindustrie zum Bohren von Edelstählen und Legierungen). Der Vorteil dieser Laser liegt in der hohen Pulsenergie (bis zu 100 J/ms), die für diese Anwendungen erforderlich ist. Ein Nachteil ist der geringe Wirkungsgrad, der hohe Kühlbedarf, die hohen Betriebskosten und die kurze Lebensdauer der Entladungsröhren (~1000 h). Das Unternehmen IPG Photonics hat kürzlich eine Alternative in Form eines sogenannten quasi-kontinuierlichen Faserlasers (QCW, siehe Tabelle oben) auf den Markt gebracht, der die gleichen Parameter bietet und gleichzeitig viele Vorteile mit sich bringt, die mit dem Konzept des Faserlasers verbunden sind.

Bei DPSS-Nd:YAG-Lasern werden je nach Anordnung des Resonators zwei Haupttypen der Anregung unterschieden – die seitliche (transversale) Anregung und die Endanregung (sog. „end-pumped“ ). Bei der Endanregung wird die Anregungsstrahlung von den Laserdioden über eine optische Faser in den YAG-Kristall geleitet (Achtung: Es handelt sich hierbei nicht um einen Faserlaser, was ein häufiger Irrtum ist) – die Dioden können somit sich außerhalb des Resonators befinden, was vorteilhaft ist. Vergleicht man die seitliche und die hintere Anregung, so erzielt man bei der hinteren Anregung eine bessere Strahlqualität, jedoch geringere Leistungen; bei der seitlichen Anregung lassen sich hingegen höhere Leistungen erzielen, die Strahlqualität ist jedoch geringer.

DPSS-Nd:YAG-Laser werden hauptsächlich im sogenannten Q-geschalteten Pulsmodus eingesetzt, bei dem der Laser sehr kurze Pulse im ns-Bereich erzeugt und die durchschnittliche Leistung bis zu 100 W beträgt. Die Hauptanwendung liegt in der Markierung und Gravur von Metallen, Kunststoffen und anderen Materialien. Im Vergleich zu LPSS-Lasern zeichnen sie sich hier durch einen höheren Wirkungsgrad, eine längere Lebensdauer und geringeren Kühlbedarf aus. Der Einsatz dieser Laser ist jedoch seit einigen Jahren stark rückläufig, und sie werden durch gepulste Faserlaser ersetzt, die im Wesentlichen nur Vorteile bieten.

Scheibenlaser

Eine moderne Technologie, die vor allem von der Firma Trumpf entwickelt wurde. Das Prinzip ähnelt dem des Nd:YAG-Lasers, allerdings bildet hier eine kleine Scheibe das aktive Medium. Der Vorteil ist ein gleichmäßiges Temperaturprofil über die gesamte Scheibe (Abbildung oben), das es ermöglicht, hohe Leistungen (bis zu 16 kW) bei guter Qualität des Ausgangsstrahls zu erzielen, was gerade bei Nd:YAG-Lasern ein großes Problem darstellte.

Sie werden vor allem für leistungsintensive Anwendungen wie das Schweißen und Schneiden von Metallen eingesetzt. Ein Nachteil von Scheibenlasern ist der geringere Wirkungsgrad (15–20 %) und die kürzere Lebensdauer im Vergleich zu Faserlasern.

Faserlaser

Der Faserlaser ( Fibre- oder Fiber-Laser ) ist der technologisch modernste Typ eines Festkörperlasers; das aktive Medium ist ein langes, mit Ytterbium dotiertes optisches Faserbündel (siehe unten). Die Anregung aus den Laserdioden wird über einen optischen Koppler in die aktive Faser geleitet; anstelle von Spiegeln kommen hier Bragg-Gitter zum Einsatz, bei denen es sich um direkt auf der optischen Faser erzeugte Strukturen handelt. Die Strahlung wird anschließend mithilfe eines optischen Kollimators aus der Faser „herausgeführt“.

Faserlaser werden je nach Betriebsmodus weiter in Dauerstrich- (CW), Puls- oder Quasipulsstrich- (QCW) Laser unterteilt; die wichtigsten Anwendungsbereiche dieser Typen finden Sie in der Tabelle oben. Ein enormer Vorteil des Faserlasers ist seine Einfachheit (der gesamte Laser besteht eigentlich aus einer optischen Faser), seine Robustheit und Modularität, die bei diesen Lasern einzigartig ist – der Laser besteht aus sogenannten Lasermodulen, durch deren Verbindung sich die Leistung schrittweise erhöhen lässt (heute bis zu 80 kW).

Weitere Vorteile sind ein hoher Wirkungsgrad (30–35 %), eine enorme Lebensdauer (bis zu 100.000 h), geringer Platzbedarf, hohe Qualität des Laserstrahls, die niedrigsten Betriebskosten aller genannten Typen und ein Wartungsaufwand, der nahezu null ist.

CO₂-Laser

CO₂ -Laser gehören zur Gruppe der Gaslaser (das aktive Medium ist einCO₂-haltiges Gasgemisch). In der Industrie werden Laser eingesetzt, die entweder durch Hochfrequenz (HF) oder durch elektrische Entladung (DC – Gleichstrom ) angeregt werden. Hinsichtlich der Geschlossenheit des Resonators werden sie in sogenannte hermetisch geschlossene Laser mit hermetisch verschlossenem Resonator und sogenannte Durchflusslaser, bei denen das Gas ständig durch den Resonator strömt (was bei hohen Leistungen von ~10 kW erforderlich ist).

Bis zu Leistungen von 5 kW werden am häufigsten DC-RF -CO₂- Laser verwendet (diffusionsgekühlt, RF-angeregt, Grundprinzip rechts). Die Anregung des aktiven Gases erfolgt durch Hochfrequenzwellen, die zwischen zwei Elektroden verlaufen, die dank ihrer großen Oberfläche gleichzeitig die Diffusionskühlung des Gases im Resonator gewährleisten. Diese Laser zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer und niedrige Betriebskosten aus.

CO₂-Laser werden zum Markieren, Gravieren und Schneiden von Nichtmetallen (Kunststoffe, Plexiglas, Leder, Papier, Glas usw.) eingesetzt, wenn die oben genannten Laser mit einer Wellenlänge von 1 µm nicht verwendet werden können. Hier kommen Leistungen bis zu 1,5 kW zum Einsatz. Eine weitere industrielle Anwendung ist das Schneiden und Schweißen von Metallen (Leistungen bis zu 20 kW), wo sich CO₂-Laser gut etabliert haben.

Im Gegensatz zu Lasern mit einer Wellenlänge von ca. 1 µm lässt sich die Strahlung eines CO₂-Lasers (10,6 µm) nicht durch eine optische Faser leiten, und es ist für die Strahlführung Spiegel erforderlich, was einen großen Nachteil darstellt – der Strahlengang ist komplexer, eine regelmäßige Kalibrierung ist notwendig, es bestehen Anforderungen an die Sauberkeit und Wartung der Spiegel usw.

Zu den weltweit führenden Herstellern von CO₂ -Lasern gehört das Unternehmen Coherent.