Flexibel, exakt, preisgünstig – Faserlasersystem optimiert industrielle Mikromaterialbearbeitung

Die Wunschliste der Industrie an Lasersysteme für die Mikromaterialbearbeitung ist lang und anspruchsvoll: Der Laserstrahl muss gut fokussierbar und ohne Justage annähernd schwankungsfrei sein. Möglichst kompakt und dicht am Werkstück platzierbar, sollte das System außerdem den rauen Fertigungsbedingungen ohne Veränderung der Eigenschaften widerstehen.

Bisher setzt man in der Mikrobearbeitung von Metallen Festkörperlaser ein, die auf Freistrahlaufbauten basieren und dadurch anfällig für Dejustage sind. Aufgrund der meist notwendigen Wasserkühlung sind diese Systeme zudem relativ groß und schwierig zu integrieren.

Dagegen erfüllt der im Rahmen des Forschungsprojekts PULSAR (GePUlstes LaserSystem mit Adaptierbaren PulspaRametern) entwickelte faserbasierte Pikosekundenlaser alle der genannten Vorgaben industrieller Fertigung. Das Besondere an dem kürzlich vorgestellten System ist die sehr flexible Anpassungsfähigkeit verschiedener Einstellgrößen aufgrund der Entkopplung von Laseroszillator und Verstärker. Je nach eingesetztem Werkstoff und gewünschtem Prozessergebnis können Wiederholfrequenz sowie mittlere Leistung im laufenden Prozess angepasst werden. So wird eine schnelle und bisher einzigartige Optimierung der Bearbeitungsschritte ermöglicht.

Als Pulsquelle dient eine Laserdiode mit einer Wellenlänge von 1,03 µm sowie einer Pulsdauer von etwa 40 ps. Die Pulswiederholrate kann flexibel zwischen 50 kHz und 40 MHz gewählt werden. Diese kann mittels eines dreistufigen Verstärkers von einigen 10 µW bis auf mittlere Leistungen von 14 W verstärkt werden. Bei einer Wiederholrate von 1 MHz entspricht dies einer Pulsenergie von 14 µJ.

Bei exzellenter Strahlqualität widersteht das faserbasierte Pikosekundenlasersystem schwierigen Produktionsbedingungen wie Kontamination durch Staub, Temperaturschwankungen oder mechanischen Vibrationen mit überzeugenden aktuellen Ergebnissen an Werkstücken aus Aluminium und Messing. Im Vergleich zu den bisher üblichen Festkörperlasern ist es zudem kleiner und preisgünstiger. Das Beschriften von Aluminium und die Herstellung von Stempeln aus Hartmetall (V70) z.B. für das Prägen von Geldstücken seien beispielhaft für viele mögliche Anwendungsfelder dieser neuen Hochleistungsstrahlquelle genannt.

Das Projekt PULSAR wird im Rahmen der BMBF-Initiative INLAS (Integriert-optische Komponenten für Hochleistungs-Laserstrahlquellen) gefördert (FKZ: 13N9685). An dem Projekt sind die Firmen PicoQuant GmbH, InnoLight GmbH, LPKF Laser & Electronics AG, cicor Microelectronics sowie die Alltec GmbH FOBA Laser Marking + Engraving beteiligt (s. auch www.ot-inlas.de/pulsar/).

Ergebnisse des LZH-Teilprojektes wurden auf der LASE Konferenz / Photonics West 2011 in San Francisco (Beitragsnummer 7914-36) und in der Fachzeitschrift Optics Express 19(3), S. 1854 (2011) unter dem Titel „All-fiber based amplification of 40 ps pulses from a gain-switched laser diode“ vorgestellt. http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-19-3-1854

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Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)
Michael Botts
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Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ist eine durch Mittel des Niedersächsischen Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr unterstützte Forschungs- und Entwicklungseinrichtung auf dem Gebiet der Lasertechnik.