Bei der Arbeit mit Lasern ist es entscheidend, das Konzept dahinter zu verstehen. Denn die Laserleistung ist einer der wichtigsten Parameter bei der Auswahl eines Lasers, da sie wesentlich bestimmt, wie effektiv Laserprozesse sind.
In der Lasermaterialbearbeitung etwa wirkt sich die Laserleistung direkt auf die Geschwindigkeit von Verfahren wie Laserschweißen, Laserreinigung, Lasertexturierung, Laserschneiden und Laserbeschriftung aus. Leistung wird jedoch auf viele verschiedene Arten angegeben. Folgendes wissen wir und lässt sich erklären:
Die NIH definieren Laserleistung als „die Rate, mit der ein Laser Energie abgibt“. Vereinfacht gesagt ist sie ein Maß dafür, wie schnell ein Laser Energie freisetzt.
Die Laserleistung wird in Watt (W), Kilowatt (kW) oder Milliwatt (mW) angegeben. Jedes Watt bedeutet, dass der Laser pro Sekunde 1 Joule Energie abgeben kann. Ein 100-W-Laser kann somit 100 Joule Energie pro Sekunde abgeben.
Die Laserleistung darf nicht mit der Leistungsdichte verwechselt werden. Ein 50-W-Laser und ein 200-W-Laser können die Energie auf die gleiche Weise fokussieren und dieselben Aufgaben erfüllen. Da Laser mit höherer Leistung in einer Sekunde mehr Energie abgeben, können sie dieselbe Arbeit lediglich schneller ausführen.
In der folgenden Definition von Xometry taucht der Gedanke auf, Laserleistung habe damit zu tun, wie sich die Energie über eine Fläche verteilt (Energiekonzentration).
„Laserleistung ist die Energie, die ein Laserstrahl pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit abgibt.“
Das ist nicht korrekt. Bei der Laserleistung geht es ausschließlich darum, wie viel Energie innerhalb einer Sekunde abgegeben werden kann. Mehr nicht.
Die beiden wichtigsten Lasertypen nutzen die verfügbare Laserleistung auf unterschiedliche Weise.
Gepulste Laser werden häufig gegenüber Dauerstrichlasern bevorzugt, weil sie die hohen Energiespitzen erzeugen, die für den Materialabtrag (Ablation) nötig sind. Und der wiederum ist die Grundlage für Verfahren wie Laserbeschriftung, Laserreinigung und Lasertexturierung.
Über die Laserparameter lässt sich steuern, wie die verfügbare Laserleistung eingesetzt wird. Sehen wir uns die gängigen Parameter an und was sich damit erreichen lässt.
Jeder Puls enthält eine bestimmte Energiemenge. Bei Laserax sind die Laser üblicherweise auf 1 Millijoule (mJ) pro Puls eingestellt. Für Anwendungen mit geringerem Energiebedarf senken wir die Pulsenergie mitunter ab. Die Anlassbeschriftung von Edelstahl etwa erfordert ein langsames Erwärmen der Oberfläche, dafür sind niedrigere Energiespitzen nötig.
Jeder Laserpuls hat eine bestimmte Dauer, wodurch sich die Energie auf eine kurze Zeitspanne konzentrieren lässt. Je kürzer die Pulsdauer, desto höher die Spitzenleistung. Der Parameter heißt auch Pulslänge.
Femtosekundenlaser etwa verdanken ihren Namen der Pulsdauer, die zwischen wenigen und einigen hundert Femtosekunden liegt. Die Laser von Laserax arbeiten mit Pulsdauern zwischen 20 Nanosekunden und 500 Nanosekunden.
Die Pulsfolgefrequenz (auch Repetitionsrate) gibt die Anzahl der Pulse pro Sekunde an. Sie wird meist in Hertz (Hz) oder Kilohertz (kHz) angegeben; 100 kHz entsprechen 100.000 Pulsen pro Sekunde.
Umrechnungstabelle Pulsfolgefrequenz
| Pulse pro Sekunde | Hz | kHz |
|---|---|---|
| 100.000 | 100.000 | 100 |
Mit leistungsstärkeren Lasern lassen sich mehr Pulse pro Sekunde abgeben. Ein 100-W-Laser kann 100.000 Pulse zu je 1 mJ pro Sekunde abgeben, ein 500-W-Laser dagegen 500.000 Pulse zu je 1 mJ pro Sekunde.
Zur weiteren Klärung: Auch ein 100-W-Laser kann 500.000 Pulse pro Sekunde abgeben, dafür muss die Pulsenergie aber auf 0,2 mJ gesenkt werden. Der Grund: Die Pulsfolgefrequenz steuert, wie sich die Laserleistung über die Zeit verteilt. Multipliziert man die Pulsenergie mit der Pulsfolgefrequenz, erhält man die Laserleistung.
Beispiele für die Verteilung der Laserleistung
| Laserleistung | Pulsenergie | Pulsfolgefrequenz |
|---|---|---|
| 100 W | 1 mJ | 100 kHz |
| 100 W | 0,2 mJ | 500 kHz |
| 500 W | 1 mJ | 500 kHz |
Für eine hohe Pulsfolgefrequenz, also mehr Pulse pro Sekunde, braucht es einen hochwertigen Scankopf, der den Laserstrahl entsprechend schnell umlenkt.
Laserstrahlen können unterschiedliche Querschnitte haben (rund, quadratisch, rechteckig usw.), und die Laserenergie kann sich ungleichmäßig über diese Fläche verteilen. Der Spotdurchmesser bezeichnet den Durchmesser des Laserstrahls in dem Bereich, in dem die Energie am stärksten gebündelt ist. Bei Gaußstrahlen endet er dort, wo die Intensität des Laserstrahls auf etwa 13,5 % ihres Höchstwerts abgefallen ist.
Ein kleinerer Spotdurchmesser bedeutet eine höhere Energiespitze. Einstellen lässt er sich über optische Bauteile wie Fokussierlinsen und Strahlaufweiter.
Manche Laserprozesse brauchen einen kleineren Spotdurchmesser. Für die Laserbeschriftung nutzen wir üblicherweise 0,125 mm. Bei Verfahren, die tiefer ins Material gehen, arbeiten wir dagegen mit 0,075 mm.
Das Strahlprofil beschreibt, wie sich die Energie des Laserlichts über den Durchmesser des Laserstrahls verteilt. Gemessen wird es mit einem Strahlprofilmessgerät, das eine grafische Darstellung wie im Bild oben liefert. Die Messung ist an verschiedenen Stellen entlang des Strahlengangs möglich.
Beim Gauß-Profil im Bild oben gilt: Je weiter man von der Strahlmitte entfernt ist, desto niedriger das Energieniveau. Beim Flat-Top-Profil bleibt das Energieniveau dagegen konstant. Gauß-Profile erreichen höhere Spitzenleistungen und kleinere Spotdurchmesser, Flat-Top-Profile nutzen die Gesamtenergie besser aus und liefern präzisere Ergebnisse, etwa sauberere Schnittkanten beim Laserschneiden.
Flat-Top-Strahlen sind teurer als Gaußstrahlen, weil sie zusätzlichen Aufwand erfordern: diffraktive optische Elemente, die die Strahlform verändern. Gaußstrahlen haben dagegen eine „natürliche“ Strahlform.
Sehen wir uns die wichtigsten Begriffe an, um die Leistungswerte eines Laserstrahls einordnen zu können. Wie sich zeigen wird, erzeugt ein 100-W-Laser Leistungswerte weit oberhalb von 100 W.
Die mittlere Leistung ist dasselbe wie die Laserleistung. Sie steht für die durchschnittliche Ausgangsleistung des Lasers über eine Sekunde. Ein 100-W-Laser hat eine mittlere Leistung von 100 W, egal ob er im Dauerstrich oder gepulst arbeitet.
Die Spitzenleistung ist die höchste Ausgangsleistung, die der Laser innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls erreicht. Einfacher gesagt: Sie zeigt, wie viel Energie ein Puls im Verhältnis zu seiner Dauer enthält.
Werden Millijoule auf eine sehr kurze Zeitspanne konzentriert, erreichen sie hohe Energieniveaus. Der Effekt ist ähnlich wie beim Zuhalten einer Schlauchöffnung: Der Wasserdruck aus dem verbleibenden kleinen Loch ist deutlich höher. Dasselbe gilt für die Energie des Laserstrahls, wenn sie auf eine kleine Fläche und eine kurze Dauer gebündelt wird.
Für die Spitzenleistung teilen Sie einfach die Pulsenergie (in Joule) durch die Pulsdauer (in Sekunden). Ein Puls von 1 mJ mit einer Pulsdauer von 100 ns hat demnach eine Spitzenleistung von mindestens 10.000 Watt.
Die Leistungsdichte, auch Bestrahlungsstärke genannt, hilft dabei, die Energiekonzentration einzuordnen. Gemessen in W/cm² zeigt sie, wie hoch die Rate der Energieübertragung (in Watt) im Verhältnis zur Strahlfläche (in cm²) ist.
Für die Leistungsdichte teilen Sie die Laserleistung durch die Strahlfläche. Unsere 100-W-Laser mit einer Strahlfläche von 0,0000679291 cm² erreichen so eine Leistungsdichte von rund 1.470.000 W/cm².
Dieses 500-W-Faserlasersystem arbeitet tief ins Material hinein und erzeugt strahlverfahrenbeständige Beschriftungen. Die dafür eingesetzte Laserleistung ist im Vergleich zu den meisten Beschriftungsanwendungen hoch, denn für einen wirtschaftlichen Materialabtrag im Metall sind höhere Energieniveaus nötig.
Dieses Faserlasersystem mit niedriger Leistung ist so eingestellt, dass es die Edelstahloberfläche langsam erwärmt. Dabei entsteht unter der Oberfläche eine chemische Reaktion: Das Material oxidiert im Inneren, während die schützende Passivschicht an der Oberfläche unversehrt bleibt.
Wer den Umgang mit Laserleistung beherrscht, kann Laserprozesse gezielt optimieren. Wenn Sie ausloten möchten, was Laserbeschriftung, Laserreinigung, Lasertexturierung oder Laserschweißen für eine industrielle Anwendung leisten können, sprechen Sie mit einem Laserax-Experten. Wir liefern komplette Laserlösungen und entwickeln den passenden Laserprozess für Sie.
Catherine besitzt einen Bachelorabschluss in Technischer Physik und einen Masterabschluss in Physik. Ihre Masterarbeit entstand in Zusammenarbeit mit Laserax und befasste sich mit der Entwicklung industrieller Lösungen für die Lasertexturierung von Metalloberflächen. Heute ist sie Applications Lab Supervisor bei Laserax und leitet das Team, das Laserprozesse für Kunden testet und optimiert.
Die Laserbeschriftung ist allgegenwärtig – von Seriennummern auf Autoteilen über Logos auf Elektronik bis hin zu Rückverfolgbarkeitscodes auf medizinischen Geräten. Doch nicht alle Laser sind gleich, und die Wahl des richtigen Typs hängt vom Material und den Beschriftungsanforderungen ab.
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