Wesentliche Parameter eines Lasersystems

Es gibt eine Vielzahl an gebräuchlichen Lasersystemen mit sehr unterschiedlichen Anwendungen wie Materialbearbeitung, Laserchirurgie und Fernerkundung. Viele Lasersysteme weisen jedoch gemeinsame Schlüsselparameter auf. Die Festlegung einer allgemeingültigen Terminologie für diese Parameter verhindert Missverständnisse, und in Kenntnis dieser Parameter lassen sich Lasersysteme und -komponenten korrekt spezifizieren, damit die Anforderungen der jeweiligen Anwendung erfüllt werden.

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines üblichen Lasersystems für die Materialverarbeitung, in dem die 10 Schlüsselparameter eines Lasersystems mit entsprechenden Zahlen gekennzeichnet sind

Grundparameter

Bei den folgenden Parametern handelt es sich um die grundlegenden Begriffe von Lasersystemen, die für das Verständnis komplexerer Themen unbedingt bekannt sein müssen.

1: Wellenlänge (typische Einheiten: nm bis µm)

Die Wellenlänge eines Lasers beschreibt die Raumfrequenz der emittierten Lichtwelle. Die optimale Wellenlänge für einen bestimmten Anwendungsfall hängt wesentlich von der jeweiligen Anwendung ab. In der Materialbearbeitung weisen die verschiedenen Materialien einzigartige wellenlängenabhängige Absorptionseigenschaften auf, die zu unterschiedlichen Wechselwirkungen mit dem Material führen. Genauso beeinflussen die atmosphärische Absorption und Interferenz bestimmte Wellenlängen in der Fernerkundung unterschiedlich, und in medizinischen Laseranwendungen absorbieren die verschiedenen Hautfarben bestimmte Wellenlängen unterschiedlich stark. Laser mit kürzeren Wellenlängen und die zugehörigen Laseroptiken ermöglichen durch einen kleineren fokussierten Spot die Erzeugung von kleinen und präzisen Gebilden mit minimaler Erwärmung der unmittelbaren Umgebung. Sie sind in der Regel jedoch kostspieliger und störungsanfälliger als Laser mit längeren Wellenlängen.

2: Leistung und Energie (typische Einheiten: W oder J)

Die Leistung eines Lasers wird in Watt (W) gemessen und beschreibt die optische Ausgangsleistung eines Dauerstrichlasers (CW) bzw. die mittlere Leistung eines Pulslasers. Pulslaser werden auch über ihre Pulsenergie charakterisiert, die direkt proportional zur mittleren Leistung und umgekehrt proportional zur Wiederholungsrate des Lasers ist (Abbildung 2). Die Energie wird in Joule (J) gemessen.

$$ \text{Pulsenergie} = \frac{\text{Mittlere Leistung}}{\text{Wiederholungsrate}} $$

Abbildung 2: Grafische Darstellung der Beziehung zwischen Pulsenergie, Wiederholungsrate und mittlerer Leistung bei Pulslasern

Wiederholungsrate und mittlerer Leistung bei Pulslasern Laser mit höherer Leistung und Energie sind in der Regel teurer und erzeugen mehr Abwärme. Mit zunehmender Leistung und Energie wird es auch immer schwieriger, eine hohe Strahlqualität aufrechtzuerhalten. Weitere Informationen zu Puls- und Dauerstrichlasern finden Sie in unserem Anwendungshinweis Hintergrundinformationen und Spezifikationen zu LIDT bei Laserkomponenten.

3: Pulsdauer (typische Einheiten: fs bis ms)

Die Pulsdauer oder Pulsbreite eines Lasers wird üblicherweise als Halbwertsbreite der optischen Leistung des Lasers über der Zeit definiert (Abbildung 3). Ultrakurzpulslaser bieten viele Vorteile für verschiedenste Anwendungen, z. B. präzise Materialbearbeitung und medizinische Laser, und weisen kurze Pulsdauern in der Größenordnung von Picosekunden (10^-12 s) bis Attosekunden (10^-18 s). Weitere Informationen finden Sie in unseren Anwendungshinweisen Dispersion bei Ultrakurzpulsen und Hochdispersive Spiegel.

Abbildung 3: Der zeitliche Abstand der Pulse eines Pulslasers entspricht dem Kehrwert der Wiederholungsrate

4: Wiederholungsrate (typische Einheiten: Hz bis MHz)

Die Wiederholungsrate oder Pulswiederholfrequenz eines Pulslasers beschreibt die Anzahl der emittierten Pulse pro Sekunde oder den Kehrwert des zeitlichen Pulsabstands (Abbildung 3). Wie bereits erwähnt, ist die Wiederholungsrate umgekehrt proportional zur Pulsenergie und direkt proportional zur mittleren Leistung. Obwohl die Wiederholungsrate oftmals vom Verstärkungsmedium des Lasers abhängt, kann sie in vielen Fällen verändert werden. Höhere Wiederholungsraten führen zu einer kleineren thermischen Relaxationszeit auf den Oberflächen der Laseroptiken und am endgültigen fokussierten Spot, sodass sich das Material schneller erwärmt.

5: Kohärenzlänge (typische Einheiten: mm bis m)

Laserlicht ist kohärent, d. h., es gibt eine feste zeitliche oder örtliche Beziehung zwischen den Phasenwerten des elektrischen Felds. Dies ist der Fall, weil Laserlicht im Gegensatz zu den meisten anderen Lichtquellen durch stimulierte Emission erzeugt wird. Die Kohärenz nimmt im Laufe der Ausbreitung ab. Die Kohärenzlänge eines Lasers definiert eine Entfernung, bis zu der die zeitliche Kohärenz eine bestimmte Qualität aufweist.

6: Polarisation

Die Polarisation definiert die Orientierung des elektrischen Felds der Lichtwellen, das immer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ist. Laserlicht ist meistens linear polarisiert, d. h., dass die emittierten elektrischen Felder durchweg in die gleiche Richtung zeigen. Die elektrischen Felder von unpolarisiertem Licht zeigen immer in viele verschiedene Richtungen. Das Ausmaß der Polarisation wird oftmals als Verhältnis der optischen Leistung von zwei orthogonalen Polarisationszuständen ausgedrückt, z. B. 100:1 oder 500:1. Weitere Informationen zur Polarisation finden Sie in unserem Anwendungshinweis zu den Grundlagen der Polarisation.

Strahlparameter

Die folgenden Parameter kennzeichnen die Form und Qualität von Laserstrahlen.

7: Strahldurchmesser (typische Einheiten: mm bis cm)

Der Strahldurchmesser eines Lasers kennzeichnet die Querausdehnung des Strahls oder die physische Größe des Strahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Sie wird oftmals als 1/e²-Breite definiert, die durch die Punkte begrenzt wird, an denen die Intensität des Strahls den 1/e²-Wert (≈ 13,5 %) des Maximalwerts erreicht. Am 1/e² -Punkt sinkt die elektrische Feldstärke auf 1/e (≈ 37 %) des Maximalwerts. Mit zunehmendem Strahldurchmesser werden die Optiken größer. Darüber hinaus steigt die Notwendigkeit im Gesamtsystem, eine Begrenzung des Strahls (durch Hindernisse) zu vermeiden, sodass die Kosten steigen. Bei Verringerung des Stahldurchmessers steigt jedoch die Leistungs-/Energiedichte, was ebenfalls nachteilig sein kann (siehe nächster Parameter).

8: PLeistungs- oder Energiedichte (typische Einheiten: W/cm² bis MW/cm² bzw. µJ/cm² bis J/cm²)

Der Strahldurchmesser bestimmt die Leistungs-/Energiedichte oder die optische Leistung/Energie pro Flächeneinheit eines Laserstrahls. Je größer der Strahldurchmesser ist, desto kleiner ist die Leistungs-/Energiedichte eines Strahls mit konstanter Leistung oder Energie. Große Leistungs-/Energiedichten sind häufig am Endausgang eines Systems ideal (z. B. beim Laserschneiden oder -schweißen). Innerhalb eines Systems sind jedoch kleine Leistungs-/Energiedichten von Vorteil, um laserinduzierte Schäden zu vermeiden. Dadurch wird auch verhindert, dass Bereiche des Strahls mit großer Leistungs-/Energiedichte die Luft ionisieren. Aus diesen und anderen Gründen werden oftmals Strahlaufweiter verwendet, um den Durchmesser zu vergrößern und so die Leistungs-/Energiedichte innerhalb eines Lasersystems zu verringern (siehe Beschreibung in unserem Anwendungshinweis Laserstrahlaufweiter). Allerdings muss darauf geachtet werden, dass ein Strahl nicht zu stark aufgeweitet und daher möglicherweise durch Aperturen im System begrenzt wird, um Energieverschwendung und mögliche Schäden zu vermeiden.

9: Strahlprofil

Das Strahlprofil eines Lasers beschreibt die Intensitätsverteilung in einem Querschnitt des Strahls. Gebräuchliche Strahlprofile umfassen gaußsche und Flat-Top-Strahlen, deren Strahlprofile gaußförmig bzw. rechteckförmig verlaufen (Abbildung 4). Allerdings kann kein Laser einen perfekten gaußschen Strahl oder einen perfekten Flat-Top-Strahl erzeugen, dessen Strahlenprofil exakt mit der jeweiligen charakteristischen Funktion übereinstimmt, da es in einem Laser immer irgendwelche Hotspots oder Fluktuationen gibt. Die Abweichung zwischen dem tatsächlichen Strahlprofil eines Lasers und dem idealen Strahlprofil wird oftmals über Kennzahlen wie den M²-Faktor eines Lasers beschrieben. Weitere Informationen zu Strahlprofilen sowie zur Charakterisierung der Strahlqualität finden Sie in unseren Anwendungshinweisen zur Ausbreitung gaußscher Strahlen sowie zu Strahlform, Strahlqualität und Strehl-Verhältnis.

Abbildung 4: Ein Vergleich der Strahlprofile von gaußschen und Flat-Top-Strahlen mit der gleichen mittleren Leistung oder Intensität zeigt, dass die Spitzenintensität des gaußschen Strahls doppelt so groß ist wie die des Flat-Top-Strahls

10: Divergenz (typische Einheiten: mrad)

Obwohl oftmals angenommen wird, dass Laserstrahlen gebündelt sind, weisen sie immer eine gewisse Divergenz auf. Diese beschreibt die Verbreiterung eines Strahls mit zunehmender Entfernung in Bezug auf die Strahltaille des Lasers durch Beugung. Die Divergenz wird insbesondere in Anwendungen mit einem großen Arbeitsabstand problematisch, z. B. in LIDAR-Systemen, bei denen ein Objekt mehrere hundert Meter vom Lasersystem entfernt sein kann. Die Strahldivergenz wird normalerweise über den Halbwinkel des Lasers definiert. Die Divergenz (θ) eines gaußschen Strahls ist definiert als:

$$ \theta = \frac{\lambda}{\pi w_0} $$

Dabei ist λ die Wellenlänge des Lasers und w₀ ist die Strahltaille des Lasers. Weitere Informationen zur Divergenz finden Sie in unserem Anwendungshinweis zur Ausbreitung gaußscher Strahlen. Die Divergenz kann durch Vergrößerung des Strahldurchmessers verringert werden (siehe Beschreibung in unserem Anwendungshinweis Laserstrahlaufweiter).

Endsystemparameter

Diese Endparameter beschreiben die (qualitative) Leistung am Ausgang von Lasersystemen.

11: Spotgröße (typische Einheiten: µm)

Die Spotgröße eines fokussierten Laserstrahls beschreibt den Strahldurchmesser am Brennpunkt eines Fokussierlinsensystems. In vielen Anwendungen, z. B. Materialbearbeitung und Chirurgie, soll die Spotgröße möglichst klein sein, um die Leistungsdichte zu maximieren und die Erzeugung von besonders feinen Gebilden zu ermöglichen (Abbildung 5). Anstelle von konventionellen sphärischen Linsen werden oftmals asphärische Linsen verwendet, um sphärische Aberrationen zu reduzieren und kleinere Brennfleckgrößen zu erzeugen. Bei einigen Lasersystemen wird der Laserstrahl jedoch nicht auf einen Spot fokussiert, sodass dieser Parameter nicht zutreffend ist.

Abbildung 5: Bei Mikrobearbeitungsexperimenten mit Lasern am Italienischen Institut für Technologie wurde eine zehnfache Steigerung der Ablationseffizienz von Bohrsystemen mit Nanosekundenlasern erreicht, wenn die Spotgröße bei konstanter Energiedichte von 220 μm auf 9 μm verringert wurde.¹

12: Arbeitsabstand (typische Einheiten: µm bis m)

Der Arbeitsabstand eines Lasersystems ist üblicherweise als der physische Abstand vom letzten optischen Element (normalerweise eine Fokussierlinse) zum Objekt oder zur Oberfläche definiert, auf die der Laser fokussiert wird. Bei bestimmten Anwendungen, z. B. medizinischen Lasern, soll der Arbeitsabstand möglichst klein sein, während bei anderen Anwendungen, z. B. Fernerkundung, der Arbeitsabstandsbereich möglichst groß sein soll.

Referenzen:

Brandi, Fernando, et al. “Very Large Spot Size Effect in Nanosecond Laser Drilling Efficiency of Silicon.” Optics Express, vol. 18, no. 22, 2010, pp. 23488–23494., doi:10.1364/oe.18.023488.

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