50 Jahre Laser Ein Strahl für alle Fälle

Es ist heute kaum vorstellbar, dass der Laser einst als »Erfindung auf der Suche nach einer Anwendung« verspottet wurde, hat er sich inzwischen doch zum beinahe universellen Werkzeug entwickelt. Viele Geräte der Unterhaltungselektronik wären ohne diese Erfindung nicht denkbar, doch auch die materialbearbeitenden Industrien profitieren von den besonderen Eigenschaften.

Vor allem in der Automobilindustrie war der Siegeszug des Lasers kaum aufzuhalten. Hier sorgen insbesondere die großen CO2-Anlagen, die »Arbeitspferde« unter den Lasern, dafür, dass Bleche millimetergenau und zuverlässig verschweißt werden. Das Fraunhofer ILT entwickelte in den 1980er-Jahren den mit maximal 40 kW Leistung damals stärksten CO2-Laser in Europa. Der Nachteil der CO2-Laser: Mit ihrer Wellenlänge von 10,6 μm im Infrarotbereich lassen sich die Strahlen nicht durch Glasfaserkabel leiten. Außerdem sind die Anlagen recht groß.

Seit Mitte der neunziger Jahre erhielten diese Großgeräte jedoch Konkurrenz durch eine andere Art von Lasern: die Festkörperlaser hoher Leistung, meist vom Typ Neodym-YAG-Laser, eroberten schnell den Markt. Derartige Laser gibt es heute bereits mit mehr als 15 Kilowatt, wie sie in der produzierenden Industrie benötigt werden. Auch hier wurden innovative Modelle am Fraunhofer ILT entwickelt, etwa diodengepumpte Festkörperlaser. Bei ihnen wird die Energie nicht mehr wie bei früheren Modellen mit Hilfe von Blitzlampen eingestrahlt, sondern sie stammt aus Diodenlasern. Neben der absoluten Leistungssteigerung erhöhte das Verfahren den Wirkungsgrad auf mehr als das Dreifache. Gleichzeitig haben diese Laser mit einer Wellenlänge von 1,06 μm den Vorteil, dass ihr Licht durch Glasfasern geleitet werden kann. Damit entstand ein flexibles Werkzeug, das Roboter mit Hilfe der Lichtleiter an die gewünschte Stelle führen.

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Verschiedene Laser im Überblick

Verschiedene Laser im Überblick

Mit dem Aufkommen dieser Technik bahnte sich eine stille Revolution im Lasersektor an: Denn auch das Licht, das Diodenlaser direkt erzeugen, lässt sich durch Glasfasern leiten – auf einmal fanden die bislang lediglich für CD-Player oder Laserdrucker interessanten Systeme auch in der Fertigungstechnik ihren Platz.

Diode mit Leistung

Mit der Weiterentwicklung zu Hochleistungs-Diodenlasern, die bald schon Leistungen von einigen Watt erreichten, eröffneten sich nun auch Anwendungen, die früher ihren großen Brüdern vorbehalten waren. Der Trick dabei: Man kombiniert eine Vielzahl dieser Kleinstlaser, indem man sie neben- und übereinander zu Stapeln auftürmt. Diese Stapel werden über ein System feiner Kanäle im Trägermaterial mit Wasser gekühlt, da eine hohe Wärmemenge sehr effizient abzuführen ist. Die Stapel erzeugen Laserstrahlen mit einem extrem asymmetrischen Querschnitt – zur Materialbearbeitung sind sie damit in vielen Fällen wenig geeignet. Das Licht ist also weiter umzuformen und zu konzentrieren. Am Fraunhofer ILT entstand die Lösung: Aus der Kombination von 60 bis 80 Diodenbarren wurde ein Laser, der in der letzten Ausbaustufe etwa 1,5 kW erreichte.

Die Diodenlaser waren eine Voraussetzung für die Realisierung der inzwischen äußerst erfolgreichen Faserlaser. Diese basieren auf Glasfasern, die direkt mit dem aktiven Lasermaterial, zum Beispiel Ytterbiumatomen, versetzt sind und von Diodenlasern energetisch gepumpt werden. Das Laserlicht entsteht dann unmittelbar in der Glasfaser. So lässt sich ein deutlich höherer Wirkungsgrad als im CO2-Laser erzielen, während die Fasern den Strahl flexibel machen. Aber auch im gepulsten Laserbetrieb weist die Faserlasergeometrie inhärente Vorteile auf, welche die laserbasierte Produktionstechnik revolutionieren können.

Eines der treibenden Wachstumsfelder in der Lasertechnik ist die Laser-Mikromaterialbearbeitung höchster Präzision. Ein prominentes Beispiel ist das Bohren von Löchern mit hohem Aspektverhältnis in Metallen, wie sie in Einspritzdüsen von Dieselsowie Benzinmotoren der neusten Generation eingesetzt werden. Mit ultrakurzen Laserpulsen (Femtosekunden und wenige Pikosekunden) sind die Bearbeitungsergebnisse qualitativ hochwertiger als bei der heute bereits etablierten Verwendung von Nanosekunden-Laserpulsen, sodass beispielsweise eine chemische Nachbearbeitung in den meisten Fällen entfallen kann. Es gilt: Steigt die Pulsfolgefrequenz, so verkürzt sich die Bearbeitungsdauer und die Technologie wird wirtschaftlicher. Dies ist bei optimalen Bearbeitungsparametern (Pulsenergie, Spitzenintensität) nur durch eine Steigerung der mittleren Leistung erreichbar. Das wiederum erfordert den Einsatz spezieller Lasergeometrien zur Vermeidung thermo-optischer Probleme.

2009 wurde am Fraunhofer IOF Jena in Zusammenarbeit mit Forschern des IAP und der Friedrich-Schiller- Universität Jena ein faserbasierter »chirped pulse amplification«-Laser mit einer Durchschnittsleistung von nahezu einem Kilowatt demonstriert. Die Bearbeitungszeiten in der Laser-Mikrobearbeitung konnten unter Anwendung dieses Lasers im Vergleich zu konventionellen Systemen um teilweise mehr als drei Größenordnungen verkürzt werden.