Laseranlagen- &
-prozesstechnik

Für die am LHM durchgeführten Forschungsarbeiten wird entsprechende Anlagentechnik benötigt. Neben fertig gekauften Industrieanlagen kommen dabei zu einem großen Teil Eigenentwicklungen zum Einsatz. Dies reicht von einzelnen mechanischen, optischen und elektronischen Komponenten und Bauteilen für die Strahlführung über Laserscanner bis hin zu kompletten Laserbearbeitungsanlagen. Dabei wird vor allem auf eine modulare Bauweise geachtet, damit die Anlagen im Bedarfsfall schnell und unkompliziert erweitert bzw. umgerüstet werden können.

Hohe mittlere Laserleistungen im kW-Bereich schnell, d.h. hochfrequent, schalten bzw. modulieren zu können, ist technisch eine enorme Herausforderung. Speziell für hochdynamische Lasermikrobearbeitungsprozesse reichen die Geschwindigkeiten der geräteinternen Schaltmöglichkeiten in der Regel nicht aus. Einen Lösungsansatz hierfür bietet die am LHM entwickelte laserexterne Strahlschaltung auf Basis von akustooptischen Modulatoren.

Kenngrößen: : mittlere Laserleistungen bis 3 kW, Schaltfrequenzen bis 500 kHz, auch für unpolarisierte Laserstrahlung geeignet

Die meisten Hochrate-Laserprozesse erfordern eine extrem schnelle und exakte Positionierung des fokussierten Laserstrahls auf dem Werkstück. Hierfür wurde am LHM ein Polygonspiegelscanner entwickelt. Dieser ermöglicht eine 10 - 100 mal schnellere Lasermaterialbearbeitung auf großen Flächen sowie die Mikrobearbeitung mit Lasern sehr hoher mittlerer Leistung. Aufgrund der autark arbeitenden Logik ist eine Integration als Scan-Alone-System (z.B. in Montagelinien) ohne weitere Rechentechnik und Software möglich.

Kenngrößen: spezielles optisches Design (patentiert), getestet mit High-Power Lasern (bis 10 kW Single Mode), wechselbare Standard F-Theta-Optiken (variable Scanfelder), Scan-Geschwindigkeit > 1 km/s möglich, Echtzeit-Datenverarbeitung durch FPGA (patentiert), Synchronisierung zu bewegten Optiken, schnelle Energieverteilung (patentiert)

Strahlformung hat prinzipiell keine spezielle Anwendung zum Ziel, vielmehr ist sie ein Teil vieler Laseranwendungen. Das größte Potential für die Strahlformung liegt in der großflächigen Strukturierung repetitiver Mikrostrukturen. Dabei wird entweder das gewünschte Zielmuster mit einem oder wenigen Pulsen direkt strukturiert oder mit einer Vielzahl geschickt angeordneter Einzelstrahlen gearbeitet. So kann die optimale Fluenz für bestimmte Laserprozesse auch bei sehr kleinen geforderten Strahldurchmessern eingestellt werden, ohne sonderlich viel der ursprünglichen Laserleistung zu opfern. Geht man beispielsweise von 1 mJ Pulsenergie bei einer Frequenz von lediglich 1 kHz aus, können für Direktstrukturierungen im Mikrometerbereich auf diese Weise die mehr als 1.000-fachen Bearbeitungsgeschwindigkeiten gegenüber Einzelfokusbearbeitungen erreicht werden, was typischer Weise im Bereich von wenigen Sekunden pro Quadratzentimeter liegt.

Ultrakurz gepulste Laserstrahlung im mid-IR-Bereich weist eine große spektrale Bandbreite auf. Die Strahlung wird mit Blazegittern und einem akustooptischen Modulator im Frequenzraum geformt. Amplituden- und Phasenmodulation des Spektrums können die Pulsdauer von Einzelpulsen verändern sowie eine beliebige Pulssequenz erzeugen. Die Pulsformung bietet durch die Steuerung molekularer Prozesse vielfältige Möglichkeiten in der Materialbearbeitung (Burst) und Messtechnik (2D-IR-Spektroskopie).

Brillante Laserstrahlung moderner Laser hat den Vorteil, eine Materialbearbeitung mit großem Arbeitsabstand realisieren zu können, wie z.B. beim Remote-Laserstrahlschweißen. In Verbindung mit hoher Laserleistung birgt sie aber auch die Gefahr, dass umliegende Maschinenkomponenten oder auch die Einhausung der Laseranlage geschädigt werden und sie so zur direkten Gefahr für das Maschinenpersonal wird. Um dies zu verhindern, sind Laserschutzeinhausungen mit hohem Sicherheitspotential notwendig.

Am LHM wurde zusammen mit der Industrie ein Funktionsprinzip für eine Laserschutzwand entwickelt, die höchsten Laserstrahlintensitäten widerstehen kann. In Beschussversuchen konnte gezeigt werden, dass sie einem Laserbeschuss mit einem 10 kW Monomode Faserlaser mehr als T₂ = 100 s sicher standhalten kann und das selbst im Abstand der einfachen Brennweite vom Laserstrahlfokus. Das entspricht der Prüfklasse T2 (zyklischer Kurzzeitbetrieb) gemäß DIN 60825-4. Der extrem hohe Passiveigenschutz wird durch ein speziell gestaltetes, mit Fluid gefülltes Aluminium-Doppelwandsystem erzielt (Gebrauchsmuster: DE 20 2007 006 710 U1), das gerade einmal 15 mm dick ist.