Im Prinzip wandelt ein Laser eine externe Energieform (eine elektrische Entladung oder die Strahlung einer Blitzlampe oder einer Laserdiode) in Licht einer einzigen Wellenlänge um.
Dies kann auf unterschiedliche Art erreicht werden. Das Lasermedium kann beispielsweise ein Gas oder ein Festkörper sein, wofür die Namen Gaslaser und Festkörperlaser stehen.
In einem Laserresonator ist das Lasermedium zwischen zwei Spiegeln platziert. Das durch externe Energiezufuhr erzeugte Laserlicht strahlt zwischen den Spiegeln hin und her und erfährt bei diesem Prozess eine Verstärkung, während ein Teil des Strahls durch einen teilweise reflektierenden Spiegel abgegeben wird. Dieser Teil des Strahls wird für die Laserstrahlverfahren verwendet.
In industriellen Anwendungen werden hauptsächlich zwei Laserarten für die Materialbearbeitung verwendet: Der Nd:YAG-Laser und der CO2-Laser.
Langsam längsgeströmte CO2-Laser
Ungefähr 5 m/s beträgt die Strömungsgeschwindigkeit des Lasergases bei dieser Bauart. Üblicherweise ist diese Bauart gleichstromangeregt. Die Kühlung des Lasergases erfolgt über die Resonatorwandung. Pro Meter Entladungslänge im Resonator lassen sich maximal 100 Watt Leistung erzeugen. Um zu höheren Leistungen zu gelangen, bedarf es sehr langer Resonatoren. Um eine kompakte Bauweise zu erhalten, sind die Resonatoren daher meist gefaltet. Laser dieser Bauart werden bis 1,5 kW Leistung angeboten. Bei höheren Leistungen steigt die Anzahl der optischen Elemente und somit der Justieraufwand und die Temperaturempfindlichkeit nimmt deutlich zu. Wird gute Strahlqualität bei weniger als 500 W Leistung benötigt, so bietet sich dieser Lasertyp an.
Schnell längsgeströmte CO2-Laser
Bei dieser Bauart beträgt die Strömungsgeschwindigkeit des Lasergases über 500 m/s. Diese Strömungsgeschwindigkeiten werden über Rootspumpen oder Turbogebläse erzielt. Die Kühlung des Gases erfolgt über Wärmetauscher. Pro Meter Entladungslänge lassen sich bis 500 W Laserleistung erreichen. Somit lassen sich kompakte Laser mit hoher Ausgangsleistung ( bis > 36 kW) realisieren. Die Anregung erfolgt über Gleichstrom oder Hochfrequenz. Die meisten der heute in der Materialbearbeitung eingesetzten CO2-Laser arbeiten nach diesem Prinzip.
Quergeströmte CO2 -Laser
Hier strömt das Lasergas quer zur Resonatorachse. Die Kühlung erfolgt über einen Wärmetauscher. Das Lasergas wird mit einem Gebläse umgewälzt. Durch das große Resonatorvolumen lassen sich hohe Leistungen realisieren. Diese liegen heute üblicherweise zwischen 6 und 45 kW. Die Laser dieser Bauart sind üblicherweise gleichstromangeregt. Von der Strahlqualität her sind sie weniger zum Schneiden, sondern mehr zum Schweißen und zur Oberflächenbehandlung geeignet.
Nd:YAG-Laser
Das laseraktive Medium ist ein künstlich gezogener YAG-Einkristall, in den das Neodym eingebettet ist. Die Energiezufuhr erfolgt optisch über Blitzlampen.
Dies wird auch als "optisches Pumpen" bezeichnet. Die Blitzlampe und das laseraktive Medium liegen jeweils in den Brennpunkten verspiegelter elliptischer Zylinder. Dadurch soll die Energie der Blitzlampen optimal ausgenutzt werden. Nd:YAG-Laser werden überwiegend gepulst betrieben. Die mittlere Leistung liegt bei gepulsten Systemen bei 1000 W. Nd:YAG-Laser im Dauerstrichbetrieb sind bis zu 4200 W erhältlich. Wie beim CO2-Laser lässt sich die Strahlung des Nd:YAG-Lasers über Spiegel und Linsen umlenken und formen. Wegen der kürzeren Wellenlänge von 1,06 µm können zur Strahlführung auch Lichtleitfasern herangezogen werden. Von besonderem Interesse ist hier die Kombination mit einem Knickarmroboter.
Für den Betrieb ist beim Nd:YAG-Laser kein Gas nötig. Für die Bearbeitung sind, je nach Aufgabe, Schneid- oder Schutzgase erforderlich. Der Nd:YAG-Laser findet seine Hauptanwendungsgebiete beim Schneiden, Schweißen und Bohren in der Feinwerktechnik und Elektroindustrie bzw. bei der Bearbeitung filigraner Bauteile.
Kontakt