Lasertypen und Anwendungen

Kurz erklärt

Lasertypen allgemein:

• Gaslaser
• Festkörperlaser
• Diodenlaser
• Freie Elektronenlaser
• Farbstofflaser

Häufig in der Materialbearbeitung eingesetzte Laser

• CO₂-Laser
• Nd:YAG-Laser
• Faserlaser
• Scheibenlaser
• Diodenlaser

Gaslaser

• CO₂-Laser
• HeNe-Laser
• N₂-Laser
• Excimerlaser

CO₂-Laser

• Unsichtbare, infrarote Strahlung (10600 nm)
• Lasermedium: Gasgemisch
  • 10% CO₂, 20% N₂, 70% He
  • Wir in elektrisch leitendes Plasma verwandelt
• Energiezufuhr (Pumpen): Elektrisch über Elektroden
• Wirkungsgrad: ~15% » Abfuhr der Verluste durch Kühlung
• Anwendung: Schneiden, Gravieren, Perforieren von dünnem, organischem Material (Kunststoffe, Holz, Textilien), Blechbearbeitung, Schweißen, Härten, Umschmelzen

HeNe-Laser

• Sichtbares, rotes Licht (632,8 nm)
• Justierlaser

Festkörperlaser

Nd:YAG

• Unsichtbare infrarote Strahlung (1064 nm)
• Lasermedium: Kristall (Nd:YAG-Kristall)
• Energiezufuhr (Pumpen): Optisch durch Licht mit Blitzlampen oder Laserdioden
• Formen:
  • Kristallstab
  • Dünne Scheibe (Scheibenlaser)
  • Faser (Faserlaser)
• Anwendung: Mikrobohrungen, Präzisionsschneiden dünner Bleche, Schweißen einzelner Punktverbindungen, Schneiden dicker Bleche, Schweißen
• Laserstrahlung kann über Glasfaser geleitet werden

Diodenlaser

• Lasermedium: Halbleiter (Diode)
• Energiezufuhr (Pumpen): Durch elektrischen Strom
• Kompakte Bauweise
• Hoher Wirkungsgrad (25-50%)
• Schlechte Strahlqualität

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Je nach Lasermedium werden die Laser in verschiedene Lasertypen unterteilt. Dies sind Festkörperlaser, Gaslaser, Diodenlaser, Freie Elektronenlaser und Farbstofflaser. Das laseraktive Medium kann im Wesentlichen durch das optische Pumpen (mit Licht) angeregt werden, mittels elektrischer Anregung oder durch einen chemischen Prozess.

In Abhängigkeit vom Lasertyp und dessen Eigenschaften variieren damit auch die Einsatzgebiete. Es gibt Lasertypen, die für eine konkrete Anwendung perfekt geeignet sind, ein anderer Lasertyp aber unbrauchbar wäre. In der Materialbearbeitung werden heute vor allem Kohlendioxidlaser, Nd:YAG-, Faser-, Scheiben- und Diodenlaser verwendet. Letztere kommen mit einem viel kleineren Bauvolumen aus.

Der industriell am meist verbreiteten Gaslaser ist der CO₂-Laser. Neben diesem existiert aber eine Vielzahl an weiteren Gaslasern wie z.B. HeNe-Laser, der N₂-Laser sowie der Excimerlaser.

Kohlendioxidlaser geben unsichtbares infrarotes Licht mit einer Wellenlänge von 10600 nm ab. Das aktive Medium ist ein Gasgemisch aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium, wobei die Aufteilung ca. 70% He, 20% N₂ und 10% CO₂ ist. Die Energiezufuhr, das so genannte Pumpen, erfolgt durch Zufuhr elektrischer Energie über Elektroden, wozu zunächst das Gas im Laser, ähnlich wie bei einer Leuchtstoffröhre, in ein elektrisch leitendes Plasma verwandelt werden muss. 

Da derartige Laser nur einen Wirkungsgrad von etwa 15% für die Umwandlung der elektrischen Energie in Licht aufweisen, muss bei hohen Strahlleistungen von vielen Tausend Watt sehr viel Verlustenergie in der Form von Wärme abgeführt werden.

Im Bereich von 10 Watt bis zu 200 Watt werden sie vor allem zum Schneiden, Gravieren und Perforieren von dünnem, organischem Material wie Kunststoffe, Holz und Textilien eingesetzt. In der Blechbearbeitung (Laserschneiden) werden typischerweise Strahlleistungen von 500 Watt bis mehrere Kilowatt verwendet.  Multi-Kilowatt-CO₂-Laser werden hauptsächlich zum Schweißen, Härten und Umschmelzen verwendet.

Der HeNe-Laser wird oft als Justierlaser in der Industrie oder im Labor verwendet mit einer Leistung unter 5 mW. Er ist ein sichtbarer roter Laser mit der Wellenlänge von 632,8 nm. Aber auch andere Farben beziehungsweise Wellenlängen sind möglich.

Bei Festkörperlasern, wie z.B. dem Nd:YAG Laser, besteht das Lasermedium aus einem Kristall, die Energiezufuhr erfolgt durch Licht. Während beim klassischen Festkörperlaser als Lasermedium ein Kristallstab verwendet wird, liegt es beim Scheibenlaser in Form einer dünnen Schicht und beim Faserlaser als Faser vor. Mit diesen Bauformen sind bessere Wirkungsgrade und höhere Leistungen erzielbar.

Ein Nd:YAG-Laser (kurz für Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) ist ein Festkörperlaser, der als aktives Medium einen Neodym-dotierten YAG-Kristall verwendet und meist infrarote Strahlung mit der Wellenlänge 1064 nm emittiert. Weitere Übergänge existieren bei 946 nm, 1320 nm und 1444 nm.

Die klassische Form des Wirtskristalls ist ein Stab von z.B. 1 cm Durchmesser und 10 cm Länge. Dieser wird zwischen zwei Spiegeln positioniert und dann entweder mit Blitzlampen oder mit Laserdioden gepumpt. Blitzlampen sind vergleichsweise günstig, haben aber eine geringe Effizienz, da vom Blitzlampenspektrum nur ein Teil der Strahlung zur Anregung des Lasermediums genutzt werden kann. Der mittels Blitzlampen gepumpte Nd:YAG-Laser ist nach wie vor der am meisten verbreitete Festkörperlaser.

Ursprünglich waren Nd:YAG-Laser nur für Mikrobohrungen, zum Präzisionsschneiden dünner Bleche und zum Schweißen einzelner Punktverbindungen im Einsatz. Inzwischen haben sich aufgrund der gestiegenen Effizienz und Strahlqualität bei hohen Leistungen auch das Schneiden dickerer Bleche sowie das Schweißen als Konkurrenz zum weiterhin häufig eingesetzten Kohlendioxidlaser durchgesetzt. Dies liegt auch daran, dass die Laserstrahlung des Nd:YAG-Laser über eine Glasfaser geleitet werden kann und sich somit für Roboter eignet, während dies beim CO₂-Laser nicht möglich ist.

Der Faserlaser benutzt eine einige Meter lange lichtleitende Faser die mit laseraktiven Atomen dotiert ist. Die Faser ist von so geringem Durchmesser (< 100 μm), dass sich in dieser, auch unter optischer und thermischer Belastung, nur Licht höchster Strahlqualität ausbreiten kann. Faserlaser haben eine Wellenlänge von 1070 nm und erreichen einen Wirkungsgrad von 30%.

Das große Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen bietet eine gute Wärmeabfuhr. Die Faser ist ein optischer Wellenleiter, indem sich das Pumplicht und die erzeugte Laserstrahlung als geführte Welle ausbreiten.  Durch den robusten Aufbau, die hohe Strahlqualität und die Effizienz sind Faserlaser für viele Anwendungen geeignet. Faserlaser kleiner Leistung werden zur Datenübertragung in Glasfasern verwendet. Im  Leistungsbereich von einigen Watt können sie unter anderem für medizinische Zwecke oder zum Beschriften von Bauteilen durch Farbumschlag eingesetzt werden. Systeme hoher Leistung werden unter anderem zum Schweißen und Schneiden verwendet.

Beim Diodenlaser ist das Grundprinzip der pn-Übergang eines Halbleiters. Jedoch ist nicht jede Diode geeignet für einen Laser. Die Siliziumdiode als Beispiel kann nicht verwendet werden, da beim Rekombinieren, das heißt der Vereinigung positiver und negativer Ladungsträger, keine Lichtenergie entsteht, sondern Wärmeenergie. Diese Art von Halbleiter bezeichnet man auch gern als indirekte Halbleiter. Bei sogenannten direkten Halbleitern wie z.B. Gallium-Arsenid rekombinieren Elektronen auf dem direkten Weg unter Aussendung von Lichtquanten. Die Wahl des Halbleiters legt letztlich auch die Wellenlänge des emittierten Laserlichtes fest. Eine LED wie wir sie kennen ist prinzipiell schon eine Laserdiode, die aber nur spontane Emission besitzt. Sie hat keinen Resonator.  

Die Vorteile von Diodenlaser sind die sehr kompakte Bauweise, das einfache Pumpen mittels elektrischen Stroms und der vergleichsweise hohe elektrisch/optische Wirkungsgrad von 25 bis über 50 %. Gegenüber anderen Lasern besitzt der Diodenlaser allerdings schlechtere Strahlqualität, insbesondere bei hohen Leistungen, und ist daher kaum geeignet zum Schneiden und nur bedingt geeignet zum Tiefschweißen von Metallen. Diodenlaser werden in der Materialbearbeitung z.B. zum Schweißen von Kunststoffen verwendet. Andere Anwendungsgebiete sind die Medizin- und Messtechnik.