Die Demokratisierung des Lichts
Von der Revolutionierung der Lasertechnologie
Inhalt
Die Lasertechnologie steht an der Schwelle zu einer Transformation: der Demokratisierung des Lichts. Was einst ein Werkzeug für Spezialisten war, wird immer mehr für eine breitere Anwenderbasis zugänglich. Einfache Nutzbarkeit, Leistung und Adaptivität eröffnen die Möglichkeit, Licht auf individuelle Bedürfnisse zuzuschneiden und vielfältig einzusetzen. In diesem Blogbeitrag zeigen wir Ihnen, wie Sie mit intelligenten Optiksystemen mehr aus ihren Laseranwendungen holen können.
Die Evolution der Lasertechnologie
Seit ihrer Entdeckung hat sich die Lasertechnologie erheblich weiterentwickelt. Historisch betrachtet, lässt sich der Fortschritt in der Photonik heute mit der Einführung des elektrischen Motors in der Metallbearbeitung vor über 100 Jahren vergleichen. Innovationen der Lasertechnologie haben die Art und Weise, wie wir optische Systeme nutzen, grundlegend verändert: Von einer Nischenbranche wurde die Lasertechnik zu einem integralen Bestandteil für vielfältige Anwendungsbereiche.
Die Demokratisierung des Lichts
Demokratisierung bezieht sich auf Entwicklungen, die eine breitere Partizipation und den Zugang zu Ressourcen ermöglichen. In der Lasertechnologie bedeutet dies, dass auch Nicht-Spezialisten in der Lage sein sollen, Licht nach ihren Bedürfnissen zu formen und zu nutzen. Dies wird möglich durch anpassungsfähige und leistungsstarke Lösungen: leicht anwendbare Montagesysteme, langlebige optische Komponenten und die Abdeckung eines breiten Wellenlängenspektrums.
Anwendungsbereiche
Um Licht für möglichst viele Anwenderinnen zugänglich zu machen, müssen Optiksysteme Lösungen bieten, die auch ohne Expertise in Physik oder Optikdesign einsetzbar sind. Zentrale Aspekte für diese Produkte sind:
- einfacher und schneller Einsatz,
- gute Kombinierbarkeit mit existierenden Optik- und Lasersystemen sowie
- hohe Leistung für exzellente Performance.
Optiksysteme wie Strahlaufweiter und Strahlformer ermöglichen beispielsweise die Anpassung der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls, z.B. für
- präzise Schnittkanten beim Laserschneiden,
- saubere Nähte beim Laserschweißen und
- planbare Präzision des Materialabtrages bei der Oberflächenstrukturierung.
Schauen wir uns die Anwendungsmöglichkeiten nachfolgend im Detail an.
Laserschneiden
Das Laserschneiden ist eines der effektivsten thermischen Trennverfahren der industriellen Fertigung. Ob Metall, Holz, Glas oder Kunststoff – die hohe Energiekonzentration des Lasers ermöglicht ein schnelles und präzises Schneiden mit sauberen Schnittkanten. Bislang werden für diese Form des Materialabtrags gern Gauß’sche Strahlprofile verwendet. Diese weisen jedoch Schwächen hinsichtlich der Abtragtiefe und Qualität auf. Durch die charakteristische Form nimmt die Intensität zum Rand des Strahls ab, dieser trifft nicht gleichmäßig auf das Material. Die Folge: unsaubere Schnittkanten (vgl. Abb. 1a) einhergehend mit Materialverlusten und/oder längeren Bearbeitungszeiten bedingt durch Nacharbeiten.
Abbildung 1: Verschiedene Strahlprofile auf Edelstahl. a/d erzeugt mit einem Gauß Strahl, b/e und e/c mit dem a|AiryShape von asphericon. Die mit dem Strahlformer erzeugten Profile weisen einen wesentlich homogeneren Abtrag auf.
Abbildung 1 zeigt verschiedene Strahlprofile auf Edelstahl erzeugt mit einem Gauß (a und d) bzw. einem Donut (b und e) und einem Top-Hat Profil (c und f). Mit dem Top-Hat Strahlformer a|AiryShape verbessert sich die Homogenität und Präzision des Materialabtrags im Vergleich zum Gauß’schen Profil deutlich. Durch gleichmäßige Ablationstiefen (im Beispiel im Bereich von 5-10 µm) entstehen saubere Schnittkanten (vgl. Abb. 1 b und c). Das Produkt lässt sich aufgrund seines modularen Designs einfach an andere optische Elemente anschrauben. Eine manuelle Neuausrichtung des Strahlenverlaufs ist überflüssig.
Laserschweißen
Ein weiteres präzises Verfahren zum Fügen von Materialien wie Metallen oder Kunststoffen ist das Laserschweißen. Durch den Laser wird das Werkstück hierbei auf Schmelztemperatur erhitzt und dadurch flexible Schweißnahtführungen möglich. Traditionell werden auch beim Laserschweißen Gauß’sche Strahlprofile verwendet. Die ungleichmäßige Form des Profils führt jedoch zu inhomogenen Schweißnähten.
Die Integration von Beam Expandern und Strahlformern kann die Prozessstabilität verbessern und Spritzerbildung reduzieren, was zu gasdichten Schweißnähten führt (vgl. Abb. 3). Komponenten von asphericon, wie der a|BeamExpander und a|AiryShape, lassen sich dank metrischen Feingewindes unkompliziert in bestehende Set-ups integrieren und sorgen dank eines breiten Wellenlängenspektrums für einen flexiblen Einsatz von 355 nm bis 1600 nm.
Abbildung 2: Naht geschweißt durch Gaußprofil mit Poren (oben), porenfreies Top-Hat-Profil erzeugt mit einem a|AiryShape (unten)
Oberflächenstrukturierung
Bei der Oberflächenstrukturierung mittels Laser werden gezielt Strukturen auf Materialien wie Kunststoff und Metall erzeugt, z.B. um Rauheitswerte zu optimieren, die beim Haften und Kleben eine Rolle spielen können. Das Verfahren ermöglicht einen präzisen Materialabtrag und ist flexibel im Bereich der Einzel- aber auch Serienproduktion einsetzbar. Anwendungen reichen von Aufreißhilfen an Verpackungen bis zur Entfernung spezieller Folien zur Optimierung von Werkstückoberflächen.
Mit Hilfe refraktiver Strahlformer können unterschiedliche runde und quadratische Intensitätsverteilungen im Fokus des Laserstrahls erzeugt werden. Diese Adaptivität optimiert die Bearbeitungszeit und Prozesskontrolle. Der für die in Abbildung 4 gezeigten Ergebnisse verwendete Strahlformer a|SqAiryShape wurde erfolgreich getestet, um maßgeschneiderte quadratische Intensitätsprofile zu generieren. Das System bietet Flexibilität im Strukturierungsprozess und ermöglicht die Erzeugung verschiedener Oberflächenstrukturen durch die Variation des Strahlprofils und des Arbeitsabstandes zur Probenoberfläche. Auch dieser Strahlformer von asphericon ist hoch adaptiv, lässt sich unkompliziert in den Laseraufbau integrieren und ist über einen breiten Wellenlängenbereich nutzbar.
Abbildung 3: REM-Aufnahmen von Edelstahlproben nach Bestrahlung mit linear polarisierten fs-Einzelpulsen bei konstanter Einzelpulsenergie. a|SqAiryShape ermöglicht hohe Flexibilität bei der Erzeugung verschiedener quadratischer Profile durch Variation des Arbeitsabstandes.
Lösungen von asphericon
asphericon bietet mit dem BeamTuning Sortiment eine gesamte Produktpalette, die den Lasereinsatz durch benutzerfreundliche, anpassbare und leistungsstarke (Laser-)Lösungen unterstützt. Die Komponenten sind leicht zu integrieren, erzeugen einen absolut gleichmaßigen und beugungsbegrenzten Laserstrahl und decken ein breites Wellenlängenspektrum ab. So werden im Kern komplexe Lasertechnologien deutlich vereinfacht, ohne an Leistung und Performance einzubüßen, und bieten damit maßgeschneiderte optische Lösungen für vielfältige Einsatzbereiche.
Abbildung 4: Darstellung eines exemplarischen Strahlformungssystems bestehend aus dem Faserkoppler a|AspheriColl, a|BeamExpandern und dem Strahlformer a|TopShape.
Die Zukunft der Lasertechnologie
Optische Systeme, die eine mühelose Optimierung des Laserstrahls ermöglichen, prägen die Zukunft der Lasertechnologie. Durch leicht integrierbare, anpassungsfähige und leistungsstarke Produkte wird die Lasertechnologie für ein breiteres Anwenderspektrum zugänglich. Die vorgestellten Anwendungsbeispiele zeigen, wie diese Prinzipien bereits heute in der Praxis umgesetzt werden und welchen Beitrag sie zur Weiterentwicklung der Lasertechnologie leisten.
Sie möchten mehr über darüber erfahren, wie Sie ihre Laser- oder Lichtanwendung fit für die Zukunft machen? Kontaktieren Sie unser Team – gemeinsam entwickeln wir Ideen für ihre Fragestellung! Lesen Sie gerne auch den vollständigen Artikel zur Demokratisierung des Lichts im LASER Magazin.
