Welche Arten von Lasern gibt es?
Ein Überblick über die verschiedenen Lasertypen, ihre spezifischen Eigenschaften und Funktionen
Patrick Gretzki | 26. April 2024 ᛫ 10 Min.
Nicht alle Laser sind gleich
Laser sind aus der modernen Gesellschaft nicht mehr wegzudenken: Inzwischen werden sie in fast jeder Industrie eingesetzt und ermöglichen eine Vielzahl von Anwendungen. Wer an Laser denkt, hat wahrscheinlich den Laserpointer oder die Augen-OP mit einem Laser im Kopf. Neben der Unterhaltungselektronik und der Medizintechnik hat der Laser auch Einzug in die Materialbearbeitung genommen. Oft hat man noch das Bild aus der Automobil-Branche im Kopf, in der riesige Roboter Karosserien schneiden und schweißen. Neben diesen eher klassischen Anwendungen gibt es inzwischen eine Fülle an Prozessen in einer breiten Industrie-Palette.
Der Laser ist quasi zum Schweizer Taschenmesser in der Materialbearbeitung geworden. Die Bauarten und Eigenschaften der Laser sind vielfältig und lassen sich an das Material und die Anwendung maßschneidern. Genau wie niemand auf die Idee kommen würde, mit einer Säge ein Loch zu bohren, ist es wichtig, für jede Anwendung den geeigneten Laser zu finden, um damit optimale Qualität und Performance zu erreichen.
Der nachfolgende Artikel erklärt wie ein Laser eigentlich funktioniert und zeigt die verschiedenen Laserarten mit ihren spezifischen Eigenschaften auf.
Informationen zu den Optikmodulen und der Systemtechnik bei Pulsar Photonics erhalten Sie hier.
Was macht einen Laser aus?
Der Begriff Laser ist ein Akronym für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, zu Deutsch: Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Ohne an dieser Stelle zu tief in die physikalischen Grundlagen einsteigen zu wollen, ist ein Laser ein Licht-Verstärker, der Licht mit eng eingegrenzten Eigenschaften erzeugt, sodass es extrem gebündelt werden kann, um so Material mit einer hohen Intensität zu bearbeiten. Im Gegensatz zu einer Lupe, mit der man als Kind im Sommer ein Feuer entfacht hat, hat ein Laser noch weitere besondere Eigenschaften, der ihn vom Sonnenlicht unterscheidet.
Wellenlänge
Zum einen haben wir die Wellenlänge, also die Farbe vom Laser. Im Gegensatz zum Sonnenlicht, das quasi aus allen möglichen Farben besteht, was sich schön in einem Regenbogen zeigt, weist ein Laser meist nur eine einzige, eng begrenzte Farbe auf. Dies hat den Vorteil, dass die Wellenlänge so gewählt werden kann, dass es vom zu bearbeitenden Material maximal absorbiert wird, sodass keine Energie verschwendet wird. Die Wellenlänge des Lasers wird vom im Verstärker verbauten Material bestimmt. Inzwischen gibt es eine Vielzahl von Lasertypen, sodass für jede Anwendung ein genau passender Laser ausgewählt werden kann.
Pulsdauer
Während klassische Lichtquellen kontinuierlich arbeiten, können einige Laser ihre Energie auch gepulst abgeben. Vergleichbar zu einem Presslufthammer hat man dann einzelne Pulse, in denen die Energie und damit die Wirkung stark gebündelt ist. Je nach Dauer der Pulse unterscheidet man zwischen Lang-, Kurz-, und Ultrakurzpuls-Lasern. Die Angaben dazu reichen von Milli-Sekunden (0.001s) über Mikro- und Nano-Sekunden bis hin zu Femto-Sekunden (0.000000000000001s). Diese Bündelung hat extreme Konsequenzen: Nimmt man z.B. die Leistung einer kleinen Energiesparlampe (17W) und nutzt die gleiche Leistung in einem gepulsten Laser, der 100.000x in der Sekunde einen Puls aussendet bei einer Pulsdauer von 200fs, so erreicht jeder Puls eine gebündelte Leistung von 850 Megawatt. Im Vergleich dazu hat ein mittleres Atomkraftwerk eine Leistung von 1400 Megawatt. Mit solch hohen Intensitäten können Materialien selektiv und zudem relativ „schonend“ abgetragen werden, da die Laserenergie so plötzlich eingebracht wird, dass das umliegende Material keine Zeit hat, sich aufzuwärmen. Zudem treten bei kurzen Pulsen bzw. hohen Intensitäten nicht-lineare Effekte auf, die z.B. dazu führen, dass Materialen, die ansonsten transparent sind, Laserlicht absorbieren. Damit ist z.B. die Bearbeitung von Glas möglich.
Was sind die Vor- und nachteile des Lasers für die Materialbearbeitung. Hier gibt’s die ZUsammenfassung:
Welche Arten von Lasern gibt es?
Neben den erwähnten optischen Eigenschaften (Wellenlänge und Pulsdauer) unterscheidet man Laser vor allem in ihrer Bauform. Dabei differenziert man nach dem physikalischen Prinzip bzw. dem Material, mit dem der Laserstrahl erzeugt wird. Neben vielen anderen Lasertypen spielen insbesondere die folgenden im industriellen Umfeld eine Rolle:
- GASLASER: Diese Laser verwenden ein Gas als Lasermedium. Bekannte Beispiele sind der Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser), Kohlendioxid-Laser (CO2-Laser) und Argon-Ionen-Laser. Das Gas wird mittels einer elektrischen Gasentladung entweder kontinuierlich oder über Impulsanregung gepumpt. Seltener wird optisches Pumpen mittels Mikrowellen verwendet.
- EXCIMERLASER: Excimerlaser sind besondere Gas-Laser, bei denen eine Kombination aus Edelgasen und Halogenen als Lasermedium verwendet wird (z.B. Argon, Krypton oder Fluor). Die Gasmoleküle werden elektrisch angeregt und bilden eine instabile Verbindung aus, die nur kurzlebig ist. Dadurch wird Licht im UV Bereich bei einer Pulsdauer von einigen Nanosekunden erzeugt. Sie werden häufig in der Augenchirurgie (LASIK) und der Mikrofertigung eingesetzt. Im Zusammenspiel mit hohen Energiedichten zeigen Excimer-Prozesse meistens keine thermische Schädigung an dem bearbeiteten Material. Durch die kurze Wellenlänge sind solche Quellen prädestiniert für die Mikrofertigung in der Elektronik und Medizintechnik.
- FESTKÖRPERLASER: Diese Art von Laser verwendet einen festen Kristall oder ein Glas als Lasermedium. Beispiele sind der Rubin-Laser und der Nd:YAG-Laser. Das Medium wird über eine externe Energiequelle angeregt. In den Anfängen der Lasertechnik wurden Blitzlampen eingesetzt, moderne Laser werden über Dioden gepumpt. Die Wellenlänge liegt im Bereich von sichtbarem Licht (Rubin 694nm) bis ins Infrarote (Nd:YAG 1064nm). Über eine Frequenzkonvertierung kann das Licht von z.B. einem infraroten Laser ins Grüne oder UV umgewandelt werden. Aufgrund der Bauform (z.B. Scheibe oder Slap) weisen diese Laser eine hohe Leistung auf, da das Medium gut gekühlt werden kann, was zudem ihre Leistung und Stabilität verbessert. Über die Verfahren Moden-Kopplung und Pulskompression können Pulse von unerreichter Kürze erzeugt werden. Kommerzielle Lasersysteme bieten Pulsdauern im Bereich von Piko- und Femtosekunden an. Sie werden neben medizinischen Anwendungen vor allem in der Spektroskopie und Materialforschung eingesetzt. Bei der Materialbearbeitung ist eine breite Palette an Anwendungen möglich. Vom Markieren und Bohren, Abtragen und Funktionalisieren.
- DIODENLASER/HALBLEITERLASER: Diodenlaser basieren auf Halbleiterdioden als Lasermedium. Sie sind weit verbreitet in Anwendungen wie Kommunikation, Materialbearbeitung und Medizin. Diodenlaser sind in der Regel sehr kompakt und haben eine einfache Bauweise, was sie für viele Anwendungen attraktiv macht, bei denen Platz eine wichtige Rolle spielt. Im Vergleich zu einigen anderen Laserarten haben sie eine hohe Effizienz bei der Umwandlung von elektrischer in optische Energie. Dies macht sie energetisch günstig und ökonomisch in der Anwendung. Zudem werden sie direkt elektrisch betrieben, was ihre Steuerung und Integration vereinfachen. Außerdem lassen sie sich dadurch schnell ein- und ausschalten, was sie für Anwendungen wie Datenübertragung und Lidar attraktiv macht.
- FASERLASER: Diese Laser verwenden eine Glasfaser als Lasermedium. Faserlaser sind besonders gut für Hochleistungsanwendungen und Faser-Laser-Beschriftung geeignet. Faserlaser sind im Allgemeinen sehr kompakt und weisen eine einfache und robuste Bauweise auf. So sind sie robuster gegen äußere Einflüsse wie Vibrationen und Schwankungen der Umgebungstemperatur. Sie liefern in der Regel einen Strahl mit hoher Qualität und damit enger Strahlfokussierung, was sie für eine präzise Materialbearbeitung wie Schneiden, Schweißen und Markieren geeignet macht. Zudem kann der Laserstrahl in einer Faser bis zum Bearbeitungsort geführt werden, sodass auf eine aufwändige Strahlführung verzichtet werden kann. Faserlaser können hohe Leistungen im Bereich von einigen 100-1000W liefern und weisen dazu eine hohe Umwandlungseffizienz auf. Durch unterschiedliche Dotierungen der Faser lassen sich die optischen Eigenschaften in weiten Bereichen anpassen, wodurch sie flexibel für viele Anwendungen eingesetzt werden können.
- DYE-LASER: Diese Laser verwenden organische Farbstoffe als Lasermedium. Sie sind für ihre breite Emissionsbandbreite bekannt und werden oft in der Spektroskopie und Forschung eingesetzt. Die Wellenlänge des Lasers kann durch Auswahl des Farbstoffes über weite Bereiche eingestellt werden, was eine hohe Flexibilität gewährleistet. Die insgesamt hohe Strahlqualität macht diese Laser für Anwendungen mit hoher Strahlqualität interessant, z.B. Holographie. Farbstofflaser können im gepulsten Betrieb arbeiten und ultrakurze Laserpulse erzeugen, so eignen sie sich für Anwendungen wie zeitaufgelöste Spektroskope und Lasermarkierungen. Weitere Anwendungen liegen in der Forschung, vor allem in der Laserphysik und Chemie. Die Liste könnte an der Stelle noch weitergeführt werden, da es viele spezialisierte Arten von Lasern für unterschiedliche Anwendungen gibt. Jeder Laser hat spezifische Eigenschaften und Vorteile, die je nach Anwendungsbereich wichtig sind.
Fazit
Wir haben gesehen, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen Lasertypen existiert, die sich fundamental in ihrem Prinzip, ihrer Eigenschaften und Einsatzgebieten unterscheiden. Dies bietet die Möglichkeit, für jedes Material und jede Anwendung den perfekten Laser zu finden. Damit wird gewährleistet, dass der Prozess hinsichtlich Qualität, Stabilität und Effizienz optimiert werden kann.
Neben diesen grundlegenden Anforderungen spielen bei der industriellen Umsetzung der Laserprozesse jedoch noch weitere Faktoren eine Rolle. Z.B. für die Bearbeitung von Produkten in der Großserie oder dem Bearbeiten von großflächigen Bauteilen muss noch eine entsprechende Systemtechnik für die Zuführung und Bewegung der Bauteile, die Erfassung der Bauteillage, eine Überwachung der Systeme und des Prozesses und Sensoren zur Prüfung der Bauteile integriert und intelligent verknüpft werden. Auch die Skalierung von hochproduktiven Prozessen und Anlagen sind Themen, die adressiert werden müssen. Bei allen diesen Fragestellungen helfen unsere Expertinnen und Experten von Pulsar Photonics als Entwickler und Integrator, um für Sie die perfekte Lasermaschine zu bauen.
Sie haben Fragen zur Auswahl des richten Lasertypes für ihre Anwendung?
Kontaktieren sie gerne unseren Experten Dr. Marius Gipperich aus dem Vertrieb
Mehr über den Autor:
Patrick Gretzki
Patrick Gretzki ist Leiter des Geschäftsbereiches Systemtechnik bei Pulsar Photonics.
Weitere Informationen zur Systemtechnik bei Pulsar Photonics erhalten Sie unter unserer Kategorie Optikmodule.