Ultrakurzpulslaser

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Ultrakurzpulslaser sind Laserstrahlquellen, die gepulstes Laserlicht mit Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden und Femtosekunden aussenden. Zur Klasse der Ultrakurzpulslaser werden Pikosekundenlaser, Femtosekundenlaser und Attosekundenlaser zugeordnet.
Synonym(e): Short pulse Laser



Ultrakurzpulslaser
Pikosekundenlaser im Design eines Fiberlasers der ACI Laser GmbH

Erzeugung ultrakurzer Pulse: Als laseraktives Medium werden häufig neodym- oder ytterbiumdotierte Glaskörper genutzt, welche von außen mit einer Wellenlänge „gepumpt“ werden, für welche sie ein gutes Absorptionsverhalten aufweisen. Im Laserresonator bilden sich stehende Wellen aus und über aktive Modenkopplung werden Pulse erzeugt. Diese werden derartig abgestimmt, dass sie über eine möglichst hohe spektrale Linienbreite verfügen. Über entsprechende Verzögerungsoptiken werden durch die hohe spektrale Breite die Pulse zeitlich „verbreitert“ und über eine nachgelagerte Kompressionsoptik zeitlich stark komprimiert. Diese Kompression findet häufig in einem optischen Verstärker statt. Durch die zeitliche Kompression überlagern sich die anschwingenden Lasermoden innerhalb eines sehr kurzen Zeitfensters und prägen hierbei Pulse mit einer extrem hohen Pulsspitzenleistung (z.B. 10 MW) aus.

Pikosekundenlaser

Der Vorzug der Pikosekundenlaser in der Materialbearbeitung liegt einerseits in den sehr hohen Pulsspitzenleistungen. Diese ermöglichen in der Wechselwirkung mit Materialien einen plötzlichen Phasenübergang von fest in gasförmig, sodass der Zustand der Schmelze hierbei nahezu „übersprungen“ wird. Die ausbleibende Schmelze ist daher in vielen Anwendungen eine Voraussetzung für ein qualitativ hochwertiges Ergebnis der Bearbeitung.

Ein weiterer Vorteil liegt in der kürze der Pulse. Materialien verfügen über spezifische Wärmeleitungseigenschaften. Die Wärmeleitung hat eine gewisse Trägheit, deren Maß über dem Zeitfenster der kurzen Laserpulse liegt. Die Laserpulse liegen also gar nicht lange genug an, um eine nachteilige Wärmeleitung zu ermöglichen. Das trägt zur Schonung des Werkstücks bei und erhält bspw. die Eigenschaft der Korrosionsbeständigkeit, da im Falle von Edelstahl die passivierenden Chromschichten nicht durch einen zu großen Wärmeeintrag zerstört werden.

In der industriellen Laserbeschriftung ist dieser Laser noch gar nicht so weit verbreitet. Dennoch etabliert er sich zunehmend mehr. Auf dem Feld der Laserbeschriftung wird stark von den hohen Pulsspitzenleistungen, sowie der ultrakurzen Pulse profitiert. Gerade in der Mikromaterialbearbeitung und dem ultrapräzisen Materialabtrag wird man zukünftig um ihn nicht mehr herum kommen.

Feingravuren

Je kleiner, detaillierter und tiefer eine Lasergravur dimensioniert ist, umso mehr kommen klassische Lasersysteme an ihre Grenzen, da sich durch Phasenübergänge während der Bearbeitung Schmelze ausprägt, was zur Gartbildung führt. Andererseits kann bei tiefen Gravuren das abgetragene Material nicht mehr mit der nötigen Präzision abgeführt werden, was wiederum die Gravur zusetzt. Der Pikosekundenlaser dahingegen überführt das Material impulsartig von fest in gasförmig, was einerseits die Schmelzphase "überspringt" und andererseits durch die plötzliche Volumenexpansion das Material sauber aus der Gravurfuge "herausschleudert". Das Ergebnis ist eine saubere und perfekt definierte Gravur ohne störenden Grat. In den meisten Fällen ist eine Nachbearbeitung nicht notwendig.


Markierung von Glas

Die lasergestützte Markierung von Glas wird bisweilen mittels CO2-Laser vorgenommen. Der Vorteil liegt zwar darin, dass der Prozess relativ schnell vonstatten geht, der Nachteil ist aber der, dass durch das plötzliche Aufschmelzen und ebenso plötzliche Erstarren des Glases Spannungen im Material verweilen und diese sich mit der Zeit durch Zerplatzen entladen. Damit entstehen kleine Splitter auf der Oberfläche, was die Gläser bspw. für die Aufbewahrung von Lebensmitteln ungeeignet macht. Der Pikosekundenlaser hingegen bringt derartig hohe Leistungen der Pulsspitzen auf die Materialoberfläche, dass durch nichtlineare Absorption das Material verdampft wird und eine Struktur entsprechend der Gitterkonstanten aus Scangeschwindigkeit und Pulsfolgefrequenz entsteht. Durch diffuse Reflexion erscheint die Glasmarkierung weiß.

Femtosekundenlaser

Ein Femtosekundenlaser komprimiert Energie in einem so kurzen Zeitbereich, dass dieser noch kürzer als der eines Pikosekundenlasers ist. Anwendungsbereiche des Lasers sind weite Teile der Photonik, nichtlinearer Optik, Messtechnik und Medizin. Pulsdauern von wenigen Attosekunden ermöglichen die Entwicklung von Röntgenlasern auf kleinstem Raum. In der Messtechnik kommen die Laser u.a. bei optischen Abbildungs- und Messverfahren wie Multiphotonenmikroskopie und optischer Kohärenztomografie zum Einsatz. In der Medizin nutzt u.a. die Augenheilkunde und Zahnmedizin den Laser.

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