Scheibenlaser gehören zu den Festkörperlasern. Charakteristisch für Scheibenlaser ist, dass sie eine dünne Scheibe als aktives Medium nutzen. Die von Adolf Giesen an der Universität Stuttgart entwickelte Technologie nutzt Diodenlaser zum Pumpen der Scheibe. Durch die große Oberfläche der Scheibe ist eine effiziente Kühlung gewährleistet. Damit sind hohe Laserleistungen bei hervorragender Strahlqualität erreichbar. Die Lasertechnologie überzeugt durch hohe Geschwindigkeit, Präzision und geringe Wärmeeinbringung. Scheibenlaser kommen in der Materialbearbeitung zum Bohren, Schneiden und Schweißen sowie in der Medizintechnik und im wissenschaftlichen Bereich zur Anwendung.
Funktionsweise von Scheibenlasern
Herkömmliche Festkörperlaser wie beispielsweise der Nd:YAG-Laser haben ein Lasermedium in Form eines zylindrischen Stabs. Der Stab weist dabei einen Durchmesser von mehreren Millimetern und einer Länge von mehreren hundert Millimetern auf. Blitzlampen oder Dioden pumpen das Lasermedium. Der erzeugte Laserstrahl verläuft parallel zur Stabachse. Die Umwandlung von Pumplicht in Laserlicht erfolgt mit einem geringen optischen Wirkungsgrad. Die Folge ist eine starke Erwärmung des Stabs, der daher entsprechend gekühlt werden muss. In der Regel fließt das Kühlmittel an der Außenseite des Stabs entlang. Daraus ergibt sich ein senkrecht zur Richtung des Laserstrahls radial parabolisch verlaufendes Temperaturprofil. Bedingt durch diesen Temperaturverlauf ergibt sich eine sogenannte thermische Linsenbildung. Diese verursacht eine Divergenz des Laserstrahls und verringert die Strahlqualität. Die verringerte Strahlqualität wirkt sich auch in Form einer verringerten verfügbaren Leistungsdichte im fokussierten Laserstrahl aus.
Der Scheibenlaser wurde von Adolf Giesen am Institut für Strahlwerkzeuge an der Universität Stuttgart entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Für die Anwendungsreife im industriellen Einsatz sorgte die Firma Haas, die mittlerweile zum Unternehmen Trumpf gehört. Trumpf ist ein führendes Unternehmen im Bereich der Herstellung von Werkzeugmaschinen und Lasern für die industrielle Fertigung.
Charakteristikum des Scheibenlasers ist, dass anstelle eines Kristallstabs mit geringem Oberflächen-Volumen-Verhältnis eine sehr dünne Kristallscheibe als Lasermedium zur Anwendung kommt. Die Scheibe weist in der Regel nur einige hundert Mikrometer Dicke auf, verfügt jedoch über einen Durchmesser von mehreren Millimetern und ist an einem Ende mit einer reflektierenden Oberfläche beschichtet. Diese reflektierende Schicht fungiert als Spiegel im Laserresonator und ist flächig an einer Wärmesenke befestigt. Die sehr geringe Dicke der Scheibe resultiert in einem hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis. Durch den flächigen Kontakt mit einer großen Wärmesenke und dem Umstand, dass der zum Pumpen des Kristalls verwendete Durchmesser der Laserlichtquelle viel größer ist als die Dicke der Scheibe, kann eine axiale Kühlung erreicht werden. Das axiale Temperaturprofil reduziert die thermische Linsenbildung auf ein Minimum und ermöglicht eine gute Strahlqualität. Die Leistung des erzeugten Laserstrahls lässt sich durch gleichzeitige Variation der Pumpleistung und der gepumpten Fläche der Scheibe regulieren. Dies hat zur Folge, dass der Kristall unabhängig von der Leistung mit konstanter Intensität gepumpt werden kann, was sich zusätzlich positiv auf die Strahlqualität auswirkt. Der axial in einem Scheibenlaser erzeugte Laserstrahl kann damit eine sehr hohe Strahlqualität erreichen.
Die dünne Scheibe ermöglicht zwar eine effiziente Kühlung, jedoch wird nur ein kleiner Teil des Pumplichts beim Durchlaufen der Scheibe absorbiert. Um die Effizienz des Pumpvorgangs zu erhöhen, wird das Pumplicht daher an der beschichteten Rückseite der Scheibe reflektiert. Die Anordnung von Spiegeln und Retro-Optiken um die Scheibe herum sorgen dafür, dass das Pumplicht die Scheibe mehrmals durchläuft. Dadurch wird die Absorption des Pumplichts und damit die Effizienz des Systems deutlich erhöht. Mit dieser Methode lassen sich Leistungen im Bereich von etwa 1 kW mit einer einzigen Scheibe erreichen. Für höhere Leistungen werden mehrere Scheiben miteinander kombiniert.
Die Dicke der Scheibe liegt zwischen 80 und 200 µm. Im Unterschied zu herkömmlichen Festkörperlasern mit einem Kristallstab wird beim Thin Disk Laser von vorne gepumpt.
Beim Kristallmaterial in kommerziellen Anwendungen handelt es sich um Ytterbium-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (Yb:YAG) mit einer Emissionswellenlänge von 1030 nm. Für das optische Pumpen kommen InGaAs-Laserdioden bei einer Wellenlänge von 940 nm zum Einsatz.
Leistungsmerkmale
Diese Eigenschaften zeichnen Scheibenlaser aus:
- Leistung: Die Leistung reicht abhängig von Hersteller und Ausführung von 1 bis deutlich über 20 kW.
- Elektrischer Wirkungsgrad: Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei bis zu 25 %. Dieser Wert ergibt sich durch eine elektrisch-optische Effizienz der Diodenlaser von 50 % und eine optisch-optische Effizienz der Scheibe von 50 %.
- Geschwindigkeit: Bedingt durch sein Funktionsprinzip und seine Konstruktion lassen sich mit dem Scheibenlaser hohe Prozessgeschwindigkeiten realisieren.
- Wärmebelastung: Aufgrund der effektiven Kühlung über die Grundfläche der Scheibe besteht eine niedrige Wärmebelastung im Vergleich zu anderen Lasertypen.
- Aufbau: Die Scheibe als wirksames Medium für den Laserstrahl ist das Charakteristikum des Scheibenlasers.
- Fokussierbarkeit: Dank seines Funktionsprinzips lassen sich mit dem Scheibenlaser sehr gute Strahlqualitäten erreichen. Das Strahlparameterprodukt eines typischen Scheibenlasers mit hoher Leistung liegt bei etwa 8 mm* mrad.
Scheibenlaser – Festkörperlaser mit vielen Vorteilen
Scheibenlaser verfügen konstruktionsbedingt über eine sehr gute Strahlqualität, d. h. sehr kleine Fokusdurchmesser sind erreichbar. Der Vorteil der scheibenförmigen Geometrie des Lasermediums liegt auf der Hand: Der Laserkristall lässt sich aufgrund der geringen Scheibendicke im Bereich weniger µm und des großen Scheibendurchmessers in der Größenordnung von 1 cm wirksam kühlen. Zu dem Zweck erfolgt an der verspiegelten Fläche die Befestigung auf einer Wärmesenke. Damit kann die Wärmeableitung effektiv über die Grundfläche der Scheibe erfolgen. Bedingt durch die vorliegende Geometrie liegt der Temperaturgradient nahezu ausschließlich senkrecht zur Scheibenebene vor. Damit lassen sich im Betrieb die mechanischen Spannungen durch thermische Ausdehnung der Scheibe minimieren, was sich im Vergleich mit vielen anderen Hochleistungs-Festkörperlasern positiv auf die Strahlqualität, also die Fokussierbarkeit, des Laserstrahls auswirkt.
Die höhere Strahlqualität von Scheibenlasern hat im Vergleich zu den traditionellen Stablasern und zu anderen mit Dioden gepumpten Lasern mehrere Vorteile:
- Bei gleicher Ausgangsleistung lassen sich kleinere Faserdurchmesser und kleinere Fokusdurchmesser verwenden. Damit erhöht sich die Leistungsdichte im Spot.
- Bei gleicher Spotgröße ist es möglich, größere Arbeitsabstände zu verwenden. Die Tiefenschärfe ist größer.
- Bei gleichem Arbeitsabstand ist es möglich, Optiken mit kleinerem Durchmesser zu verwenden. Die Folge sind geringeres Gewicht und verbesserte Zugänglichkeit der Optiken.
- Die zur Materialbearbeitung benötigte Schwellenleistungsdichte lässt sich mit einer geringeren Laserleistung erreichen. Die gesamte Wärmezufuhr wird dadurch verringert.
Bedingt durch das Konstruktionsprinzip und den Aufbau eignen sich Scheibenlaser hervorragend für den gepulsten Betrieb. Dabei lässt sich beim Scheibenlaser grundsätzlich die Pulsenergie durch Vergrößerung der aktiven Fläche bei konstant bleibender Spitzenleistungsdichte und Energiedichte erhöhen. Leistungsfähige kommerzielle Systeme liefern Pulsenergien von bis zu 80 mJ bei Pulsdauern von 30 ns und einer mittleren Leistung von 750 W. Zudem hat der Scheibenlaser auch klare Vorteile bei ultrakurzen Pulsen: Die Spitzenleistungsdichten lassen sich durch Skalierung über die Größe der aktiven Fläche klein halten. Zusätzlich liegt ein kurzer Weg durch das aktive Medium vor. Diese beiden Faktoren minimieren nichtlineare Effekte signifikant. Damit lässt sich beispielsweise in kommerziell verfügbaren Systemen eine Pulsenergie von 40 µJ bei Pulsdauern unter 400 fs und Repetitionsraten von 100 kHz erreichen.
Die aktuell verfügbare Scheibenlasertechnologie punktet sowohl im Anwendungsbereich der Continuous Wave Laser (CW-Laser) als auch jenem der Ultrakurzpulslaser, da sich hohe mittlere Leistungen ebenso wie hohe Pulsenergien mit Scheibenlasern sehr gut kontrollieren lassen.
Scheibenlaser sind zudem für hoch reflektive Materialien sehr gut geeignet, weil sie gegenüber Reflexionen beim Auftreffen der Laserstrahlung auf das Werkstück unempfindlich sind. Dank dieser Eigenschaft lassen sich Schäden am Resonator und anderen Komponenten des Lasersystems vermeiden.
Anwendungsbereiche für Scheibenlaser
Scheibenlaser sind vielfältig einsetzbar, da sie eine sehr gute Strahlqualität aufweisen. Aufgrund der hohen Fokussierbarkeit ist ein Scheibenlaser in der Lage mikrofeine Löcher zu bohren sowie Karosserieteile zusammenzuschweißen. Branchen wie der Automobilbau, die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik, die Elektronik sowie die Zuliefer- und Schwerindustrie machen sich die Stärken der leistungsfähigen Lasertechnologie zunutze.
Industrielle Scheibenlaser sind in einem Leistungsbereich von 1 bis 16 kW und mehr mit Strahlqualitäten von 2 – 25 mm*mrad verfügbar und damit für 2D-Flachbett und 3D-Schneidanlagen gut geeignet. Entsprechende Ausführungen von Scheibenlasermaschinen eignen sich damit hervorragend zum Schweißen und Schneiden sowie bei der Oberflächenbearbeitung von Metallen.
Spezielle Scheibenlasersysteme mit grüner Wellenlänge (im Bereich von 532 nm) eignen sich besonders gut für das effiziente Schweißen von Kupfer in hoher Qualität, frei von Spritzern und unabhängig von der Materialoberfläche. Die grüne Wellenlänge wird durch Frequenzverdopplung aus der Ausgangswellenlänge (im Beispiel 1064 nm) erzeugt.
Scheibenlaseranlagen für Ultrakurzpulse im Hochleistungsbereich eignen sich hervorragend für das großflächige und schnelle Reinigen sowie das Abtragen oder Strukturieren mit hohem Durchsatz.
Ein weiterer etablierter Anwendungsbereich für Scheibenlaser ist das Hochgeschwindigkeitsschneiden dünner Bleche. Mit der Wellenlänge von 1 μm sind im Bereich von Folien und Dünnblechen bis 2 mm höhere Schneidgeschwindigkeiten möglich als beispielsweise mit einem CO₂-Laser mit 10 μm Wellenlänge. Die Anwendungen reichen von elektronischen Komponenten bis zu dekorativen Lampenschirmen aus Edelstahl. Um optimale Schnittergebnisse bei kleinen Konturen und Kanten zu erreichen, hat sich bewährt, die CW-Ausgangsleistung proportional zur Schnittgeschwindigkeit zu reduzieren bzw. mit Pulstechnik zu arbeiten. Gepulste Laser verringern die Gesamtwärmezufuhr ohne dabei die Strahlintensität zu beeinträchtigen.
Geht es um das Feinschweißen dünner Folien, dann sind eine hohe Strahlqualität und eine hohe Dynamik der Laserquelle wichtig. Die Kopplung von Scheibenlasern mit programmierbaren Fokussieroptiken macht schnelles und wiederholgenaues Schweißen dünner Folien bis zu wenigen Zehntelmillimetern Dicke möglich. Anwendungen sind das Schweißen von Verbindungen für EV-Batterien, Baugruppen von Brennstoffzellen, Sensoren, Ventilmembranen, Berstscheiben von Airbag-Aufblasgeräten und Komponenten medizinischer Geräte.
Für das Laserschweißen von Komponenten des Antriebsstrangs konnten sich in letzter Zeit ebenso Scheibenlaser gegenüber CO₂-Lasern mehr und mehr etablieren, da sie sowohl eine hohe Leistung als auch eine hervorragende Strahlqualität aufweisen. Zudem lassen sich beim Stromverbrauch und beim Schutzgas signifikante Einsparungen erzielen. Die mit Scheibenlaser realisierten Anwendungen kommen ohne Schutzgas – wie etwa teures Helium – aus. Die erforderlichen Einschweißtiefen von etwa 8 mm schafft der Scheibenlaser problemlos.
In der Automobil- und Zulieferindustrie ist das Remote-Laserschweißen ein wichtiger Anwendungsbereich für Scheibenlaser. Größter Vorteil des Remote-Schweißverfahrens ist die hohe Produktivität, da unproduktive Zeiten zwischen dem Erzeugen der Schweißnähte weitgehend vermieden werden. Die Einschaltdauer des Lasers beträgt beim Remote-Laserschweißen bis zu 90 %, beim konventionellen Laserschweißen lediglich 30 bis 40 %. Die Prozessgeschwindigkeit im Vergleich zu konventionellem Widerstandspunktschweißen kann auf das bis zu 10-fache gesteigert werden. Zudem zeichnet sich das Remote-Laserschweißen durch hohe Flexibilität aus.
Ein wachsender Markt ist das Schneiden von warmgeformten Stahlbauteilen. Die Bauteile kommen in der Automobilindustrie zur Verringerung der Masse und zur Verbesserung der Sicherheit der Fahrzeuginsassen zur Anwendung. Warmgeformte Bauteile weisen eine hohe Zugfestigkeit auf. Herkömmliche Scherwerkzeuge würden beim Schneiden einem starken Verschleiß unterliegen. Für die Laserbearbeitung in der Großserienproduktion kommen Scheibenlaser zum Einsatz.
