Ultrakurzpulslaser
Ein Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) gibt seine Energie nicht kontinuierlich ab, sondern in extrem kurzen Blitzen im Bereich von Pikosekunden (10-12 s) oder Femtosekunden (10-15 s). Der entscheidende Unterschied zu anderen Trennverfahren liegt nicht in der Leistung, sondern in der Zeit: Der Puls ist vorbei, bevor Wärme ins umliegende Material fließen kann.
Warum die Pulsdauer alles verändert
Bei einem gewöhnlichen Laserprozess wird Material erhitzt, schmilzt und wird ausgetrieben. Rund um die Bearbeitungsstelle entsteht dabei eine Wärmeeinflusszone: ein Bereich, dessen Gefüge sich verändert hat, oft mit Aufwürfen, Rissen oder Verfärbungen.
Ultrakurze Pulse umgehen das. Die Energie wird in so kurzer Zeit eingebracht, dass das Material an der Auftreffstelle direkt in den Plasmazustand übergeht und abgetragen wird, bevor die Wärmeleitung einsetzt. Man spricht deshalb von kalter Ablation, obwohl der Vorgang selbst alles andere als kalt ist. Gemeint ist: Die Umgebung bleibt kalt.
Als Faustregel gilt, dass die Pulsdauer kürzer sein muss als die Zeit, die Wärme braucht, um aus der bestrahlten Zone abzufließen. Bei Metallen liegt diese Schwelle grob im Bereich einiger Pikosekunden.
Piko oder Femto
Beide Klassen arbeiten nach demselben Prinzip, unterscheiden sich aber in Aufwand und Ergebnis.
| Merkmal | Pikosekundenlaser | Femtosekundenlaser |
|---|---|---|
| Pulsdauer | etwa 1 bis 100 ps | etwa 100 bis 900 fs |
| Wärmeeinfluss | sehr gering | praktisch nicht nachweisbar |
| Anschaffung | hoch | deutlich höher |
| Typischer Einsatz | Metalle, Keramik, Serienfertigung | Glas, transparente Werkstoffe, Medizintechnik |
Für die meisten industriellen Aufgaben genügt der Pikosekundenbereich. Femtosekundenpulse lohnen sich dort, wo selbst kleinste Gefügeveränderungen stören oder wo transparente Materialien im Volumen bearbeitet werden sollen.
Was damit möglich wird
- Glas und Saphir trennen, ohne dass Mikrorisse an der Kante entstehen. In der Displayfertigung ist das der Standardweg.
- Medizintechnik: Stents und Implantate lassen sich schneiden, ohne die Materialstruktur an der Schnittkante zu verändern. Auch in der Augenheilkunde arbeiten Femtosekundensysteme im Gewebe.
- Elektronik: Leiterbahnen strukturieren, dünne Schichten selektiv abtragen, ohne die darunterliegende Lage zu beschädigen.
- Oberflächenfunktionalisierung: feinste periodische Strukturen, die Benetzbarkeit oder Reibung gezielt verändern.
- Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis, etwa Einspritzdüsen, bei denen die Kantenqualität die Funktion bestimmt.
Die Grenzen
Der Vorteil hat einen Preis, und zwar in zweierlei Hinsicht.
Abtragsrate. Pro Puls wird sehr wenig Material entfernt. Hohe Durchsätze entstehen nur über hohe Repetitionsraten und schnelle Strahlablenkung, etwa mit Galvanometer-Scannern. Für dickes Material bleibt das konventionelle Laserschneiden die wirtschaftlichere Wahl.
Investition. Ein UKP-System kostet ein Vielfaches einer vergleichbaren Faserlaserquelle. Die Rechnung geht auf, wenn die Nacharbeit entfällt oder wenn das Bauteil anders gar nicht herstellbar wäre. Als reiner Ersatz für vorhandene Verfahren rechnet sie sich selten.
Hinzu kommt, dass Prozessfenster enger sind. Zu hohe Pulsenergie führt trotz kurzer Dauer zu Wärmeakkumulation, wenn die Pulse schneller aufeinanderfolgen, als das Material abkühlen kann.
Sicherheit
Ultrakurzpulslaser erreichen bei sehr geringer mittlerer Leistung extreme Spitzenintensitäten. Für die Einstufung nach DIN EN 60825-1 sind deshalb andere Grenzwerte maßgeblich als bei Dauerstrichlasern. Schutzmaßnahmen und die Auswahl der Laserschutzbrille müssen sich an der tatsächlichen Pulsspitzenleistung orientieren, nicht am Mittelwert. Näheres dazu im Überblick zu den Normen der Lasersicherheit.
Siehe auch
- Faserlaser als Strahlquelle für den konventionellen Metallschnitt
- Laserschneiden und Laserschneiden Metall zum Vergleich der Verfahren
- Lasergravur und Laserbeschriftung für markierende Anwendungen
- Laserklassen zur Einstufung und den Schutzpflichten