Allgemeines zum Thema Laser:
Die Bezeichnung Laser ist eine Abkürzung für Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation (Die deutschsprachige Übersetzung lautet:
Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsaussendung).
Bekannt sind vor allem die Anwendungen der Lasertechnologie,
die in den letzten 20 Jahren entwickelt und weiterenwickelt wurden. Die
Theorie, die der Lasertechnologie zugrundeliegt, wurde im Jahr 1957 von Gordon
Gould geprägt. Der erste Laser war dann im Jahr 1960 einsatzbereit (bei der
Hughes Aircraft Corporation). Bereits um den Jahrhundertwechsel leistete Albert
Einstein erste Grundlagen zur Laser-Theorie, in Form von Gleichungen. Diese
Gleichungen beschreiben den physikalischen Mechanismus, durch den
Laseraktivität auftreten kann.
Nach 1960 interessierten sich immer mehr Unternehmen und
Regierungseinrichtungen für die Lasertechnik und begannen ihrerseits mit
Forschungs- und Entwicklungsprojekten auf diesem Gebiet, ohne ein konkretes
Anwendungsgebiet in Sicht zu haben.
Mittlerweile können Laser für spezielle Aufgaben entwickelt
werden, ihre Eigenschaften sind so ausgebildet, dass sie für ganz konkrete
Anwendungen zum Einsatz kommen. Laser besitzen ein breites Anwendungsspektrum:
z. B. in der Chirurgie, zum Schneiden und Schweißen von Metall, in der
Chirurgie, der Datenerfassung und -weitergabe, Codieren und Markieren von
Produkten an Fertigungslinien, Holographie, genaues Messen physikalischer
Parameter, schonende Testverfahren, Codieren und Markieren von Produkten an
Fertigungslinien u.v.a.m. Markierungssysteme
auf Laser-Basis kamen vor ca.30 Jahren auf den Markt.
Die frühen Laser-Systeme wurden für „wissenschaftliche“
Aufgaben wie Mess- und Versuchsanordnungen verwendet und waren nicht darauf
ausgerichtet, den oft sehr staubigen und nassen Bedingungen im rauhen
Produktionsalltag standzuhalten. Außerdem waren sie nicht für den Dauereinsatz
(24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche) geeignet, was wir heute voraussetzen. Der
Schwerpunkt der Entwicklung lag daher eher auf der Produktion widerstands- und
leistungsfähigerer Systeme, als auf der Entdeckung grundlegend neuer Formen
dieser Technologie.
Grundprinzip
Die Wirkung eines Lasers hat ihren Ursprung im Lasermedium.
Wird mit einer Energiequelle dem Lasermedium (Gas oder Feststoff) Energie
zugeführt (das sogenannte Pumpen), kann das Lasermedium spontan Licht einer
bestimmten Farbe aussenden oder Licht dieser Farbe verstärken. Findet die
Emission des Lichtes spontan statt, werden alle Lichtteilchen in alle
Richtungen emittiert (ausgestrahlt). Wird um das Lasermedium eine bestimmte
Spiegelanordnung errichtet (der sogenannte Laserresonator), wird ein Teil des
emittierten Lichtes wieder in das Medium zurückgelenkt. Dadurch wird ein
Prozess in Gang gesetzt, der sich ständig wiederholt. Das Licht, das immer
wieder ausgestrahlt und reflektiert wird, wird dadurch verstärkt und exakt
reproduziert. Die bereits vorhandenen Lichtteilchen (Photonen) und die
Lichtteilchen, die neu entstehen, haben die gleiche Farbe und schwingen
gemeinsam in der gleichen Frequenz. Die Ausstrahlung (Emission) der Photonen
wird durch identische vorhandene Photonen stimuliert. Deshalb nennt man diesen
Vorgang stimulierte Emission. Auf diese Weise entsteht ein Lichtstrahl, bei dem
alle beteiligten Photonen die gleiche Farbe haben und synchron schwingen, ein
sogenanntes kohärentes Licht. Der nutzbare Laserstrahl entsteht dadurch, das
einer der Spiegel nicht vollständig reflektiert, so dass ein kleiner Teil des
Lichtes die Anordnung verlassen kann, so viel, wie die Pumpquelle und das
Lasermedium nachliefern können.
Laser-Geräte können ein Licht erzeugen, das über
unterschiedliche Eigenschaften in hoher spektraler Reinheit verfügt, wenn nötig
auch vollkommen gegensätzliche Eigenschaften. In den Resonatoren (der Spiegelanordnung)
wird eine große räumliche, bzw. transversale Kohärenz (d.h. gleiche Schwingung
und Farbe aller Lichtteilchen) erzeugt. Dadurch lässt sich Laserlicht besonders
gut zu einem gebündelten Laserstrahl fokussieren. Das führt zu einem scharf
gebündelten Strahl, der über ein Leistungsvermögen in vorher nicht denkbarer
Qualität und Quantität verfügt.´
Bestandteile eines Lasers
Alle Laser arbeiten nach dem gleichen Prinzip, Obwohl sich
Laser nach ihrer Art, ihrer Konstruktionsweise, den verwendeten Materialien und
den Eigenschaften des Laserstrahls unterscheiden, so arbeiten sie doch alle nach
dem gleichen Prinzip. Die entscheidenden Hauptbestandteile haben alle Laserarten
gemeinsam.
Jeder Laser besteht grob aus drei Teilen:
1. Das Laser-Medium:
Es kann sein:
ein Gas, z. B. Kohlendioxid (CO²),
ein festes Material wie z.B. Nd-YAG (Neodymium Yttrium
Aluminium Granat)
oder ein flüssiges Material, z.B. Farbstoff.
Eine der Haupteigenschaften eines Lasermediums ist, dass es
Energie in einer bestimmten Weise speichern kann, (Populationsinversion, die
Teilchen können in einen angeregten Zustand versetzt werden, in dem sie Licht
abgeben). Das Lasermedium insgesamt gibt Licht (Photonen) in Form übermäßig
gespeicherter Energie ab.
2. Der Erregungsmechanismus:
Die Zufuhr von Energie, die verwendet wird, um die Partikel
des Lasermediums zu erregen (Atome oder Moleküle) bezeichnet man als Erregungsmechanismus.
Energie für diesen Vorgang kann z.B. aus elektrischem Strom, Entladung,
Lichtquelle usw. herangezogen werden.
3. Der optische Resonator:
Mit dieser Anordnung wird die gespeicherte Energie in Form
eines Laserstrahls aus dem Lasermedium herausgeleitet. Der optische Resonator
besteht in der einfachste Bauform aus einem Spiegel an jedem Ende des
Lasermediums.
Die Spiegel befinden sich dabei parallel zueinander, so dass
Photonen, die an der Achse der beiden Spiegel entlang laufen, ständig zwischen
den Spiegeln hin und her reflektiert werden (resonieren). Einer der Spiegel
reflektiert den Lichtstrahl zu 100%, während der andere nur teilweise
reflektiert, so dass einige Photonen durchgelassen werden, die dann als
Laserstrahl aus der Anordnung ausstrahlen können.
Anwendungsbeispiel: Das Laserschneiden
Das Laserschneiden stellt ein thermisches Trennverfahren für
plattenförmiges Material (z.B. Metallbleche, seltener auch Holzplatten und
vergleichbare Materialien) mittels eines Lasers dar.
Wo komplexe Umrisse und eine präzise und schnelle
Verarbeitung (typisch 10 m/min) gefordert sind, wird dieses Verfahren
eingesetzt. Das Laserschneiden hat gegenüber alternativen Verfahren wie etwa
dem Stanzen den Vorteil, daß es bereits bei sehr niedrigen Losgrößen
wirtschaftlich einsetzbar ist.
Mittlerweile bieten die Hersteller auch kombinierte Stanz-
und Laser-Maschinen an, die die Vorteile des Laserschneidens mit denen des
Stanzens kombinieren. Diese Maschinen ermöglichen in der Produktion sowohl umformende
Operationen mit dem Stanzkopf als auch das Auslasern beliebiger Konturen. Beim Laserschneiden kommen meist fokussierte
Hochleistungslaser, also entsprechende Gaslaser (meist der CO2-Laser ) oder
auch Festkörperlaser zum Einsatz.Man unterscheidet beim Laserschneiden zwei Verfahren:
Zum einen das Schmelzschneiden, bei dem die Schnittnaht
erschmolzen wird und anschließend mit einem Gasstrahl aus der Schnittfuge
geblasen wird.
Zum anderen das Brennschneiden, bei dem Sauerstoff als
Schneidgas eingesetzt wird. Auf diese Weise wird durch Oxidation die
erodierende Wirkung und damit die Eindringtiefe des Schnittes erhöht.
Wenn das erhitzte Material beim Laserschneiden nicht
schmilzt, sondern verdampft, spricht man vom Sublimierschneiden.
Die maximal verarbeitbaren Plattenstärken für Metall liegen
derzeit bei einer Stärke von etwa 25 mm. Das Verfahren des Laserschneidens hat
den Vorteil, daß, die entstehende Schnittfuge ist gratfrei und sie deshalb
nicht nachgearbeitet werden muss.
Werden komplexe 3-D-Schneidkonturen am Rechner programmiert,
kommen werden leistungsfähige 3D-CAD/CAM-Systeme zum Einsatz. So können z.B.
Tiefziehteile oder Bauteile für Fahrzeug-Innenverkleidungen mit großer
Effizienz programmiert und produziert werden.
Mehr Information:
www.indul.de
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