Im Zusammenhang mit der Beschaffung von Laserbearbeitungsanlagen ist das Verständnis für die Erzeugung von Lasern mehr als nur akademisch. Ein klares Verständnis der verschiedenen Lasertypen - wie Faser-, Scheiben-, YAG- und Halbleiterlaser - kann sich direkt auf die Auswahl der Ausrüstung, die Kostenabschätzung und die Eignung der Anwendung auswirken. In diesem Artikel werden die grundlegende Theorie der Lasererzeugung, der strukturelle Aufbau von Laserquellen und eine Klassifizierung gängiger industrieller Lasertypen erläutert.

Was ist ein Laser und wie wird er erzeugt?

Der Begriff "Laser" ist ein Akronym für Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Der Begriff geht auf Einsteins Theorie der stimulierten Emission aus dem frühen 20. Jahrhundert zurück, und die moderne chinesische Übersetzung "激光" (jiguang) wurde von dem bekannten Wissenschaftler Qian Xuesen vorgeschlagen.

Im Kern geht es bei der Lasererzeugung um die Verstärkung von Licht durch stimulierte Emission. Dieser Prozess erfordert ein Verständnis der Quantenenergieniveaus, der Elektronenübergänge und der Wechselwirkungen zwischen Photonen und atomaren Teilchen.

Theoretische Grundlagen

1. Das Bohr-Modell

Atome bestehen aus einem Kern und kreisenden Elektronen. Diese Elektronen nehmen diskrete Energieniveaus ein. Das niedrigste Niveau wird als Grundzustand bezeichnet, und höhere Niveaus werden als angeregte Zustände bezeichnet. Wenn Elektronen Energie absorbieren, gehen sie vom Grundzustand in einen angeregten Zustand über. Wenn sie in einen niedrigeren Zustand zurückkehren, geben sie Energie ab, oft in Form von Photonen - dies ist der grundlegende Mechanismus der Lichtemission.

2. Einsteins Theorie der Stimulierten Emission

Einstein definierte drei Arten von Wechselwirkungen zwischen Photonen und Elektronen:

• Spontane Emission: Ein angeregtes Elektron kehrt zufällig in einen niedrigeren Energiezustand zurück und sendet ein inkohärentes Photon aus.
• Stimulierte Absorption: Ein Elektron in einem niedrigeren Energiezustand absorbiert ein Photon und geht in einen höheren Zustand über.
• Stimulierte Emission: Ein eintreffendes Photon bewirkt, dass ein angeregtes Elektron in einen niedrigeren Energiezustand fällt und ein zweites Photon freisetzt, das in Phase, Frequenz und Richtung identisch ist.

Stimulierte Emission ist der entscheidende Prozess zur Erzeugung von kohärentem Laserlicht. Wenn dieser Prozess innerhalb einer Population angeregter Teilchen wiederholt auftritt, wird eine Laserwirkung erzielt.

Bedingungen für die Lasererzeugung

Um die stimulierte Emission aufrechtzuerhalten und die Laserleistung zu erzeugen, sind drei Komponenten erforderlich:

1. Verstärkung Medium: Ein Material, das verstärkbare Photonen liefert (z. B. Nd:YAG-Kristall, dotierte Faser, CO2-Gas).
2. Pumpe Quelle: Zufuhr von externer Energie (optisch oder elektrisch), um Elektronen zu höheren Energieniveaus anzuregen, wodurch eine Besetzungsinversion entsteht.
3. Optischer Resonator: Er besteht in der Regel aus zwei Spiegeln und bildet einen Hohlraum, in dem Photonen hin und her springen können, was die stimulierten Emissionen verstärkt.

Diese Elemente bilden zusammen die grundlegende Architektur eines Lasers.

Gängige industrielle Lasertypen

● CO2-Laser

• Verstärkung Medium: CO2- und He-Gas-Gemisch
• Wellenlänge: 10,6 μm
• Anwendungen: Schneiden von Nicht-Metallen (Textilien, Kunststoffe, Holz), Fotolithografie
• Merkmale: Lieferung von Weltraumstrahlen (nicht faserübertragbar), ausgereifte Technologie

● Nd:YAG-Laser

• Verstärkung Medium: YAG-Kristall, dotiert mit Nd- oder Yb-Ionen
• Wellenlänge: 1,06 μm
• Anwendungen: Metallschweißen, Impulsanwendungen, frühe 3C-Elektronikfertigung
• Merkmale: Hohe Spitzenleistung, typischerweise gepulst, faserverträglich

● Faserlaser

• Verstärkung Medium: Ytterbium-dotierte Faser
• Wellenlänge: 1060 nm
• Anwendungen: Metallschneiden, Schweißen, Gravieren, Markieren
• Merkmale: Marktführerschaft, hervorragende Strahlqualität, hohe Zuverlässigkeit

● Scheibenlaser

• Verstärkung Medium: Dünnes scheibenförmiges Verstärkungsmedium
• Abgeordnete: TRUMPF
• Merkmale: Hohe Leistung, gute Strahlqualität, effiziente Kühlung

● Halbleiterlaser

• Verstärkung Medium: Halbleiter PN-Übergang
• Wellenlänge: ~976 nm
• Anwendungen: Ummantelung, Hochleistungsanwendungen im nahen Infrarot
• Abgeordnete: Laserline

Lasermodi nach Energieausgabeformat

● Gepulste Laser (ns/ps/fs)

• Eigenschaften: Hohe Spitzenleistung, minimale thermische Verzerrung
• Anwendungen: Mikrofabrikation, Reinigung, ultradünne Materialien (z. B. <0,5 mm)

● Quasi-kontinuierliche Welle (QCW)

• Eigenschaften: Spitzenleistung bis zum 10-fachen der Durchschnittsleistung; Pulsbreite 50μs-50ms
• Anwendungen: Präzisionsschweißen, Zwischenanwendungen zwischen CW und gepulst

● Kontinuierliche Welle (CW)

• Eigenschaften: Stabile, langanhaltende Leistung
• Anwendungen: Schneiden und Schweißen für allgemeine Zwecke; weit verbreitet in Faserlasersystemen

Schlussfolgerung

Für Entscheidungsträger bei der Beschaffung von Laseranlagen ist es entscheidend, die Grundlagen der Lasererzeugung und die Unterschiede zwischen den verschiedenen Lasertypen zu verstehen. Von der Systemintegration bis zur langfristigen Prozesszuverlässigkeit wirkt sich die Wahl der Laserquelle nicht nur auf die anfängliche Leistung, sondern auch auf die laufenden Betriebskosten und die Skalierbarkeit aus. Ganz gleich, ob Sie einen Hochleistungs-Faserlaser für das Schneiden dicker Metalle oder ein gepulstes Präzisionssystem für die Mikrobearbeitung in Betracht ziehen - wenn Sie wissen, was im Inneren des Lasers vor sich geht, können Sie klügere und fundiertere Investitionen tätigen.