Aktive Strahlformung von Industrielasern Spezialfasern mit rechteckiger Kerngeometrie

Die rechteckige Geometrie des Faserkerns sorgt für eine aktive Strahlformung.
Die rechteckige Geometrie des Faserkerns sorgt für eine aktive Strahlformung.

Die industrielle Oberflächenbearbeitung erfordert vielfach Laserstrahlen mit gleichmäßiger Brennwirkung. Dies ist nur durch gezielte Formung des Strahlprofils realisierbar. Die Experten von CeramOptec sehen Glasfasern mit rechteckiger statt der herkömmlichen runden Kerngeometrie klar im Vorteil.

Von Bronislav Hracek und Holger Bäuerle, CeramOptec GmbH, Bonn

Aus der industriellen Materialbearbeitung sind Laser seit langem nicht mehr wegzudenken. Typische Einsatzgebiete sind das Schneiden und Schweißen von Metallen und Kunststoffen, aber auch Oberflächenbearbeitungen wie etwa das Abtragen von Beschichtungen oder die Werkzeughärtung. Vor allem in den letztgenannten Anwendungsgebieten ist es dabei von großem Interesse, mit Laserstrahlen arbeiten zu können, die über ihre gesamte Brennfläche hinweg eine homogene Energieverteilung aufweisen und so ein gleichmäßiges Einwirken auf die Oberfläche des Werkstücks ermöglichen. Solche Laserstrahlen zu erzeugen, ist indessen alles andere als einfach und gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben der Lasertechnik überhaupt. Denn das natürliche Profil eines Laserstrahls ist energetisch gesehen gerade nicht homogen, sondern besitzt eine annähernd gaußförmige Intensitätsverteilung – das heißt, es weist in der Strahlmitte einen energetischen Peak auf. Herkömmliche Laserstrahlen können daher keine gleichmäßige Brennwirkung erzeugen. Für die Oberflächenbearbeitung muss ihre Energieverteilung folglich erst einmal homogenisiert werden.

Bilder: 3

Spezialfasern

Rechteckig statt rund

Diese Homogenisierung wird gewöhnlich mit Hilfe spezieller Strahlformungsoptiken wie etwa Mikrolinsen-Arrays oder diffraktiven optischen Elementen (DOE) realisiert. Sie modulieren unter anderem die Amplituden der Lichtwellen und bewirken so die gewünschte einheitliche Intensitätsverteilung auf der Brennfläche.

Diese bekannte Lösung hat jedoch zwei Nachteile: Erstens sind die Strahlformungsoptiken sehr kostspielig; zweitens verringern diese Optiken den Wirkungsgrad des Lasers, weil die Integration optischer Elemente in den Strahlengang die Lichtausbeute reduziert. Je nach Formungsoptik gehen letztlich zwischen 30 und 75 Prozent der Laserleistung verloren.

Soll zudem statt der üblichen kreisförmigen Brennfläche eine rechteckige Brennfläche generiert werden, um zum Beispiel Überlappungen in der Oberflächenbearbeitung zu minimieren, ergeben sich zusätzliche Verluste. Denn solche Brennflächen lassen sich nur durch ergänzende Formungsoptiken wie teilreflektierende Spiegel oder strukturierte Blenden erzeugen, welche Teile des Strahls umlenken bzw. blockieren und so die Lichtausbeute weiter senken.

Doch der Einsatz von Formungsoptiken ist nicht der einzige Weg, um Energieverteilung und Brennflächengeometrie eines Laserstrahls in gewünschter Weise zu verändern. Soll die Intensitätsverteilung homogenisiert und eine rechteckige Brennfläche erzeugt werden, können Anwender auch bei den Glasfasern ansetzen, die den Laser von der Lichtquelle zur Schneid- oder Schweißdüse transportieren. Dieser Ansatzpunkt wird oft übersehen, weil herkömmliche Glasfasern nicht in der Lage sind, auf die Form eines Laserstrahls Einfluss zu nehmen und so immer nur als Passivkomponenten fungieren.

Doch es gibt auch Fasertypen, die einen aktiven Part in der Strahlformung übernehmen und so sogar den Einsatz von Strahlformungsoptiken überflüssig machen können. Entscheidender Faktor ist dabei die Kerngeometrie.