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Artikel und Hintergründe zum Thema

Scheiben- und Faserlaser

Brillante Strahlkraft

Scheibenlaser oder Faserlaser? Lange war nicht klar, wem die Zukunft gehört. Für Dr. Sebastian Zaske von Trumpf Laser- und Systemtechnik stellt sich heraus: Die Frage war schon immer falsch gestellt. Denn nicht das Konzept allein entscheidet, sondern der Anwendungsfall. So wird der Scheibenlaser – trotz vieler Vorteile – die Dioden- oder Faserlaser nicht vom Markt schießen.

Die Geschichte des industriellen Scheibenlasers beginnt mit einem heißen Stab. Festkörperlaser benutzen einen Kristall als Lasermedium und entwickeln bei hohen Laserleistungen viel Wärme. Diese Wärme muss vom Medium weggeführt werden. Bei einer klassischen Stabgeometrie ist die Kühlung bei hohen Laserleistungen nur bedingt möglich, denn das Kühlwasser kann bloß die Außenfläche des Stabes kühlen. In der Stabmitte ist die Temperatur höher als in den Außenbereichen. Mit der Temperatur ändert sich auch der Brechungsindex des Kris-talls – das Laserlicht kann sich in der Stabmitte nicht so schnell fortbewegen wie am Rand, die Wellenfront wird gekrümmt und der Laserstrahl weitet sich auf. In der Praxis bedeutet das: Bei höherer Leistung verringert sich die Strahlqualität und der Laserstrahl lässt sich nicht mehr so gut fokussieren. Dieser Effekt wird „thermische Linse“ genannt.

Scheiben- und Faser- geometrie gegen thermische Linsen

Zur optimalen Kühlung des Lasermediums muss das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen stimmen: eine große Oberfläche bei wenig Volumen.

Um auch bei sehr hohen Laserleistungen bis in den Multikilowatt-Bereich mit brillanter Strahlqualität arbeiten zu können, muss man also das Problem der thermischen Linse in den Griff bekommen. Aber wie gelingt eine bessere Kühlung des Lasermediums? Indem man seine geometrische Form verändert und das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen optimiert. Notwendig ist eine große, kühlbare Oberfläche bei wenig Volumen. Dazu gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: Faser oder Scheibe.

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Die Anforderungen an eine bessere Kühlung des Laserme-diums sind sowohl bei einer langen, schmalen Faser erfüllt als auch bei einer extrem dünnen Scheibe. Das Konzept des Faserlasers wurde 1988 per Fachartikel veröffentlicht, das des Scheibenlasers 1994. Beide fanden schon kurz nach ihrer Entstehung den Weg in die Industrie.

Die Scheibe als Lasermedium sorgt für brillante Strahlqualität – bei TruDisk-Lasern bereits ab 2 mm·mrad.

Als Laserhersteller hat Trumpf sowohl Faser- als auch Scheibenlaser im Programm, um je nach Applikation die am besten geeignete Lösung anbieten zu können. Faserlaser kommen derzeit dort zum Einsatz, wo Leistungen um ein Kilowatt ausreichend sind und herausragende Grundmode-Strahlqualität erforderlich ist. Beim Feinschneiden oder beim Wobble-Schweißen ist das der Fall. Bei Applikationen, die gleichzeitig höchste Leistung und gute Strahlqualität erfordern, sind Scheibenlaser der TruDisk-Serie das Werkzeug der Wahl. Anwendungsgebiete sind hier das Laserschneiden und -schweißen von Metallen in all ihren Ausprägungen.

Die Leistung pro Volumeneinheit im laseraktiven Medium liegt bei Faser- und Scheibenlasern in einer vergleichbaren Größenordnung. Wenn man jedoch die Leistung pro Fläche, also die Intensität, betrachtet, ist das Verhältnis beim Scheibenlaser deutlich geringer. Diese Eigenschaft birgt enormes Potenzial bei der Leistungsskalierbarkeit.

Die optische Ausgangsleistung des Scheibenlasers wird skaliert, indem die Pumpleistung erhöht wird. Das ist auch beim Faserlaser so. Jedoch geht die Faser bei höherer Pumpleistung irgendwann einmal kaputt – die Scheibe nicht. Denn beim Scheibenlaser kann parallel zur steigenden Pumpleistung einfach der Pumpfleck auf der Scheibe vergrößert werden. Dieser Kunstgriff hält die Intensität konstant – an der thermischen Last des Kristalls ändert sich überhaupt nichts.

Beim Faserlaser ist das nicht möglich, denn er ist auf seine geringe Querschnittsfläche begrenzt. Die Folge: Die Intensität in der aktiven Faser erhöht sich bei steigender Ausgangsleistung zwangsläufig und erreicht irgendwann ein physikalisches Limit. Eine Leistungsskalierung beim Faserlaser ist nur möglich, indem man mehrere aktive Fasern gleichzeitig verwendet (Multi-plexing), was wieder andere Probleme mit sich bringt.

Scheibenlaser in Trumpf-Seriengeräten können zurzeit bis zu sechs Kilowatt aus einer einzigen Scheibe erzeugen. Laborergebnisse liegen nochmals deutlich darüber.

Besonders bei 2D-Laserschneidmaschinen ist der Trend zu höheren Leistungen ungebrochen – schon jetzt verlangt die Industrie nach Maschinen mit acht oder zehn Kilowatt Leistung. Der Grund ist einfach: Beim Laserschneiden übersetzt sich eine hohe Leistung am Werkstück eins zu eins in eine höhere Prozessgeschwindigkeit. Bei derartigen Hochleistungsanwendungen im Multikilowattbereich sind Scheibenlaser auf absehbare Zeit die beste und wirtschaftlichste Lösung.

Robust im Feld

Der Optikaufbau eines TruDisk-Scheibenlasers ist technologiebedingt unempfindlich gegen Laserstrahlung, die vom Werkstück reflektiert wird. Das macht ihn ausgesprochen robust.

Das Konzept des Scheibenlasers bringt in der praktischen Umsetzung noch zwei weitere Vorteile mit sich: seine Widerstandsfähigkeit gegen Rückreflexe und seine Robustheit. Denn das Laserlicht wird im Inneren des Laserresonators vielfach reflektiert. Beim Scheibenlaser passieren den Auskoppelspiegel überhaupt nur drei bis fünf Prozent der im Resonator umlaufenden Leistung – beim Faserlaser sind es um die 30 Prozent. Dieses geringe Verhältnis macht den Scheibenlaser absolut unempfindlich gegenüber Rückreflexionen. Und beim ersten Auftreffen des Laserstrahls auf das noch feste Metall wird ein erheblicher Anteil des Laserlichts zunächst reflektiert. Bei Buntmetallen ist dies besonders gravierend: Kupfer etwa nimmt beim Einstechen weniger als fünf Prozent der Laserleistung auf – über 95 Prozent der Leistung jedoch fließen als Reflexionen ins System zurück und können beim Faserlaser die Strahlquelle beschädigen. Scheibenlaser stecken es einfach weg.

Wenn man das Scheibenlaserkonzept optimal umsetzt, sind die Strahlquellen überaus anspruchslos. Die Trumpf-Modelle kommen ganz ohne externe Kühlung aus. Gewöhnliches Brauchwasser mit einer Temperatur zwischen fünf und 26 Grad Celsius reicht als Zulauf. Im Inneren ist dieser Kühlwasserkreislauf von dem sauberen Kühlwasserkreislauf der Optikkomponenten durch einen Wärmetauscher getrennt. Der Scheibenlaser arbeitet optimal bei Umgebungstemperaturen von 5 bis 45 Grad Celsius und bei einer Luftfeuchtigkeit von bis zu 100 Prozent. Leichte Erschütterungen oder eine staubige Umgebung können ihm nichts anhaben.

Stabil für die Zukunft

Scheibenlaser haben durch ihren einfachen und modularen Aufbau zudem den Vorteil, dass man die Laserleistung hinter dem Resonator komfortabel und zuverlässig messen kann. Mit dem gemessenen Signal kann man dann sehr stabil die Leistung regeln: Während der gesamten Lebensdauer des Geräts – das können durchaus zehn Jahre oder mehr sein – treten lediglich Schwankungen von typischerweise plus/minus einem Prozent in der Nennleistung auf. In der industriellen Umgebung führt das zu stabilen und verlässlichen Prozessen.

Für Trumpf ist der Scheibenlaser das universelle Arbeitspferd mit riesigen Potenzialen, vor allem bei Hochleistungsanwendungen. In Ergänzung dazu entwickelt Trumpf den Faserlaser jedoch ebenfalls weiter, wie übrigens auch den Diodenlaser – als Pumpquelle und als Direktlaser. Denn der Lasermarkt wächst stetig. Und ständig kommen neue Laseranwendungen hinzu. Und da Trumpf strikt von der Anwendung her denkt, sieht das Unternehmen für alle Lasertypen eine große Zukunft. Dr. Sebastian Zaske / cs


 

Blick in den Scheibenlaser

Das laseraktive Medium ist eine Scheibe mit einem Durchmesser von rund 20 Millimetern und einer Dicke von gerade einmal 100 Mikrometern. Die Scheibe sitzt auf einer Wärmesenke, die die Wärme ableitet. Die gekühlte Rückseite ist verspiegelt und reflektiert den Laserstrahl und das Pumplicht. Gepumpt wird der Scheibenlaser von einem Diodenlaser. Die Scheibe ist so dünn, dass sie nur einen Bruchteil der Pumpstrahlung beim Durchlauf absorbiert. Über Spiegel wird der Pumpstrahl insgesamt 44-mal durch die Scheibe geschickt. Dadurch wird das Pumplicht nahezu vollständig absorbiert. Der Laserstrahl breitet sich senkrecht zur Scheibenfläche aus und verlässt die Kavität durch ein Loch im Parabolspiegel, dann erst geht er durch den Auskoppelspiegel.

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