Zusammenfassung

Kapitel 1: Faszination Lasertechnik 

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 

Entstehung von Laserstrahlung lässt sich nicht mit den Gesetzen der klassischen Physik erklären, sie ist ein 

Phänomen der modernen Quantenmechanik. 

Kapitel 2: Elektromagnetische Strahlung 

Elektromagnetische Welle ist Transversalwelle (Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung), 

beschrieben durch: 

• Wellenlänge λ: Energie der Welle 

• Amplitude der Feldstärke: Intensität der Strahlung 

• Polarisation: zeitl. Richtungsverlauf des Feldstärkevektors 

Das elektromagnetische Spektrum und die wichtigsten Laserwellenlängen: 

Interferenz an dünnen Schichten: 

Reflexion an Oberfläche und Unterseite 

à Beide Strahlen überlagern sich 

à je nach Dicke d überlagern sich bestimmte Wellen konstruktiv bzw. destruktiv 

I nterferenz zweier Wellen bei leicht unterschiedlicher Frequenz: Schwebung 

Anwendung: Vermessung von Strömungsfeldern: 

Laser leuchtet in Strömungsfeld 

à Reflexion an mitbewegten Teilchen 

à Frequenzverschiebung 

Bei Überlagerung von reflektiertem mit ursprünglichem Strahl: modulierte Interferenz 

Beugung (am Doppelspalt): 

Lichtquelle trifft auf Ebene und tritt durch Spaltàhinter jedem Spalt Ausbreitung von neuer Kugelwelle 

Überlagerung beider Kugelwellen àBereiche konstruktiver und destruktiver Überlagerung 

Dualismus Welle-Teilchen: 

E=m ˙ c 2 =h ˙�=h ˙ 

� c 

� λ hoch -> E runter 

� 

Mit zunehmender Energie nimmt der Teilchencharakter zu. Das Teilchenbild wird hauptsächlich 

betrachtet bei Stoßprozessen zwischen Photonen und anderen Teilchen (Elektronen, Atomen, 

Phononen, ...). 

Die Intensität ist das Produkt aus der Energie eines Photons und der Zahl der Photonen pro Zeitintervall 

und Flächenelement.

Eigenschaften von Lichtquellen/Laser: 

Glühbirne (thermische Lichtquelle): 

• eine Gruppe von Atomen wird aufgeheizt, thermisch angeregt (Boltzmann-Verteilung) 

• Strahlung wird spontan und unabhängig voneinander von einzelnen Atomen emittiert 

Folge: 

• zeitliche Inkohärenz: nicht monochromatische, sondern spektrale Emissionen (viele Wellenlängen). 

• räumliche Inkohärenz: ausgedehnte Lichtquelle, Licht kann nicht auf kleine Durchmesser fokussiert 

werden (ungerichtete Emission) 

• Statistik: Die Strahlung erreicht einen Beobachtungspunkt in Form von Photonenklumpen 

Licht dieser Art ist ohne weitere Maßnahmen nicht interferenzfähig 

Laser : 

• zeitliche Kohärenz hoher Ordnung: monochromatische Strahlung 

• räumliche Kohärenz hoher Ordnung: nahezu ideale ebene Welle, kann also sehr fein fokussiert 

werden (sehr kleiner Öffnungswinkel). 

• Statistik: Die Photonen werden sehr gleichmäßig emittiert und erreichen einen Beobachtungspunkt 

nahezu in äquidistanten Zeitabständen (feste Phasenbeziehungen der emittierten Wellenzüge). 

Wichtig für die Materialbearbeitung ist vor allem die Eigenschaft, hohe Leistungen auf kleinste 

Geometrien fokussieren zu können. Die hohe Kohärenz wird in der Messtechnik benötigt. 

Kapitel 3: Strahl-Stoff-Wechselwirkung 

Energieerhaltung: Reflexion+Absorption+Transmission = 1 

§ Absorption (Entscheidend für die Materialbearbeitung) tritt vor allem an der Oberfläche auf 

§ Die Reflexion ist der Verlustfaktor in der Materialbearbeitung 

Modellvorstellung: Atome im elektromagnetischen Feld 

schwingende Ladungen => Hertzsche Dipolstrahlung 

Dämpfung => Absorption von Strahlung => Wärme 

Reflexion und Brechung: 

Jeder Punkt einer Welle kann als Ausgangspunkt einer neuen Kugelwelle betrachtet werden. 

(Huygenssches Prinzip 1678) 

konstruktive Interferenz in Brech-/Reflexionsrichtung, destruktive Interferenz sonst! 

Reflexion: Einfallswinkel = Austrittswinkel 

Totalreflexion: sinαg = n2/n1 (Grenzwinkel) 

Brechung: Snellius: n1 sinα1 = n2 sinα2 

Dipolstrahlung: Gegeneinander schwingende elektr. Ladungen senden von sich aus Dipolstrahlung aus. 

Dipol strahlt nicht senkrecht zur Dipolachse. 

Brewsterwinkel: 

Licht mit einer Polarisation parallel zur Zeichnungsebene, welches mit dem Brewsterwinkel einfällt, wird 

nicht reflektiert. Das Licht dringt vollständig durch die Oberfläche. Dagegen wird Licht mit senkrechter 

Polarisation auch teilweise reflektiert. Das reflektierte Licht ist vollständ ig linear polarisiert. 

Winkel- und temperaturabhängiger Reflexionskoeffizient:

Nutzung des Brewstereffekts: 

– LS-Schneiden (einkoppeln des Strahls unter hohem Einfallswinkel => erhöhte Absorption) 

– LS-Tiefschweißen (einkoppeln in Dampfkapillare unter hohem Einfallswinkel) 

– s-polarisationschweißen (Strahl gelangt durch Vielfachreflexion bis zur eigentlichen Fügestelle) 

Absorption von Licht: 

Strahlung wird exponentiell geschwächt mit der Eindringtiefe. Bei Metallen Absorptionslänge La im 

Nanometerbereich. La ist größer bei durchsichtigen Werkstoffen. 

Al und Cu haben einen sehr geringen Absorptionsgrad (< 5%). Nd:YAG- Laserstrahlung wird von 

Metallen besser absorbiert als CO2- Laserstrahlung. 

Typischer Absorptionsverlauf: 

Wärmewirkung des Lasers: 

Absorption bei RT: ca. 4% bei Stahl (λ = 10,6µm) 

Absorptionslänge sehr klein (typ. 10 - 100 nm) => Absorption an der Oberfläche 

– relativ geringe Laserstrahlintensität (I105W/cm²) und/oder Einwirkzeit: Entstehung Schmelzbad 

Prozesse, z.B.: z.T. Schneiden, Wärmeleitungsschweißen, Schmelzabtrag, Laserstrahlsintern

Kapitel 4:Das Laserprinzip 

Schematischer Aufbau eines Lasers: 

Jeder Laser besteht aus den folgenden Systemkomponenten: 

• Lasermedium: 

Die Laserstrahlung wird in dem Lasermedium durch „stimulierte Emission“ (auch „induzierte 

Emission“) erzeugt. 

• Pumpenergiequelle: 

...liefert die Energie, die notwendig ist, um die für den Laserprozess notwendige Besetzungsinversion 

aufzubauen. 

• Resonator: 

...ist notwendig für die optische Rückkopplung. 

...legt die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung fest. 

• Verlustenergiesenke: 

...ist notwendig zur Abführung überschüssiger Wärme, da jeder Laser einen begrenzten Wirkungsgrad 

hat (

Besetzungsversion: 

Um Lichtverstärkung mittels induzierter Emission zu erreichen, d.h. einen kohärenten Verstärker 

herzustellen, muss ein Nichtgleichgewichtszustand, die Besetzungsinversion erreicht werden. 

n2 > n1 (mehr Elektronen auf höherem Niveau als auf niedrigerem) 

Realisierung der Besetzungsinversion durch optisches Pumpen: 

Thermisches Gleichgewicht: 

• Die Besetzungszahl der möglichen Zustände nimmt mit höherer Energie gemäß der Fermi-Dirac- 

Statistik ab. Diese kann gut durch die klassische Boltzmannverteilung angenähert werden. 

• Es liegt keine Besetzungsinversion vor. 

• Dies ist der "normale" Zustand, deshalb tritt der Laser-Effekt in der Natur nicht auf. 

Lasermedium während des Pumpens: 

• Ein höherer Zustand wird durch starkes Pumpen stärker besetzt als ein tieferer. 

• Zwischen diesen Niveaus dominiert die Stimulierte Emission 

Pumpen: sehr starkes, gezieltes Anregen der Übergänge, z. B. mit einem anderen Laser, Blitzlampe, 

Hochfrequenzanregung,... 

Eigenarten des Laserlichts: 

• Große Lichtintensität: im Impulsbetrieb I > 1010 W/cm2 

• Gerichteter Lichtstrahl 

• Kleine Bandbreite 

• Große Kohärenzlänge 

• Ultrakurze Laserpulse möglich (~10-15 s) 

Ratengleichungen: 

In einem 2-Niveau System, im therm. Gleichgewicht kann keine Besetzungsinversion erreicht werden! 

D.h. Ein optisch gepumpter 2-Niveau-Laser kann nicht im Dauerbetrieb funktionieren. 

Deswegen: 

3-Niveau-System 

– Pumpen: Anregung von Zuständen des Grundniveaus in das ausgedehntere Pumpband 3 (um 

breitbandiger und damit effektiever pumpen zu können) 

– strahlungsloser Übergang in das Niveau 2, kurze Lebensdauer 

– induzierte Emission eines Photons durch Rückkehr in den Grundzustand 

wichtig: Verhältnis von Lebensdauern zwischen den Zuständen, Übergang 2à1 sehr langsam! 

4-Niveau-System: 

– einfacher zu realisieren (nicht so starkes Pumpen nötig, weniger Zuständemüssen angeregt werden) 

– Pumpen von 1 nach 4 à strahlungsloser schneller Übergang von 4 nach 3 àNiveau 2 ist fast leer, da 

deutlich höher energetisch als 1 (kaum thermische Anregung 1 => 2). Deshalb sofort 

Besetzungsinversion zwischen 3 und 2! Niveau 3 wird schnell aufgefüllt, Niveau 2 wird schnell 

abgeräumt => Laserübergang àschnelle Entleerung von 2 → 1 (kurze Lebensdauer) 

Nachteile: 

• Größere Energiedifferenz muss überbrückt werden 

• Wirkungsgrad geringer als beim 3-Niveau-Laser

Lasermedien und Pumpquellen: 

Linienverbreiterung: 

– Homogen: Durch strahlungsfreien Übergang (Stoß mit anderen Atomen oder Gitter) Translations-, 

Rotation-, Vibrationsenergie => Verbreiterung der Linien => zum Verhindern Kühlung! 

– Inhomogen: Dopplerverbreiterung: wegen Bewegung des Atoms während Emission des 

Photons Dopplereffekt => Frequenz ändert sich 

Kapitel 5:Der Resonator 

Um das Laserlicht mit seinen speziellen Eigenschaften herstellen zu können, muss der mögliche 

Frequenzbereich des Lichtes limitiert werden. 

Das laseraktive Medium und die Eigenschaften des gewählten Energieüberganges E2 -> E1 begrenzen 

schon den möglichen Frequenzbereich, aber der optische Resonator dient zur weiteren Einengung. 

Ein Resonator ist ein schwingungsfähiges System, das bei Anregung mit harmonischen Wellen bei 

bestimmten Frequenzen maximale Schwingungsamplituden / Resonanzen aufweist (z.B. Stimmgabel). 

Realisierung der Lichtverstärkung: 

– Ein Lasermedium im Zustand der Besetzungsinversion arbeitet als Lichtverstärker. 

– Erhöhung der Verstärkung durch optische Rückkopplung => Resonator; das Licht läuft einige Male 

zwischen den Spiegeln hin und her und wird exponentiell verstärkt. 

– Gleichzeitig werden die einzelnen Wellenzüge „synchronisiert". 

Ein Resonator besteht aus: 

– zwei Endspiegeln, von denen einer teildurchlässig (transmissiv) ist. 

– Der teildurchlässige Spiegel bestimmt die räumliche Struktur der Intensitätsverteilung. 

Longitudinale Moden: 

Eine Lichtwelle beliebiger Wellenlänge, die zwischen zwei zu 100% reflektierenden Spiegeln hin und 

herläuft, wird im allgemeinen durch Beugung aus dem System heraustreten oder, im Falle unendlich 

ausgedehnter Spiegel, eine zeitlich und räumlich stark fluktuierende Intensitätsverteilung ergeben. 

Eine stehende Welle (d.h. räumlich und zeitlich konstante Feldamplituden) wird in diesem Resonator nur 

bei Wellenlängen auftreten, für welche die optische Weglänge im Resonator n×L (n = Brechungsindex des 

Mediums) gleich einem ganzzahligen Vielfachen q der halben Wellenlänge λ/2 ist. 

Diese stehenden Wellen sind die durch die Ordnungszahl q klassifizierten longitudinalen Moden des 

optischen Resonators. 

Gütefaktor eones Resonators: 

Ein Maß für die Fähigkeit des Systems, Energie zu speichern. 

gespeicherte Engerie 

Q=2 ˙� ; Q hoch ist gut! 

Verluste in einem Umlauf

Charakteristiken eines Resonators: 

Zur Beschreibung eines Resonators ist die Definition der Resonatorparameter gi zweckmäßig: 

gi := 1-L/ri 

Die charakteristischen Größen des Resonators legen das Konzept fest, ob ein stabiler oder instabiler Typ 

vorliegt. 

– Stabil: Lichtstrahl verlässt den Resonator auch nach unendlich vielen Reflexionen nicht 

– Instabil: Lichtstrahl verlässt den Resonator nach einer gewissen Anzahl von Reflexionen 

Stabilitätskriterium: 0 < g1g2 < 1 

Stabiler Typ 

• Vorteil der einfachen Justage und hoher Strahlqualität 

• Wichtigste Arten: 

1) planar: großes Modenvolumen (hoher Wirkungsgrad), hohe Beugungsverluste, anfällig gegenüber 

Dejustagen, Grenzfall des stabilen Resonators 

2) schwach konkav: häufigster Typ in der Praxis 

3) konzentrisch(sphärisch): weiterer Grenzfall des stabilen Resonators 

Instabiler Typ 

Vorteile: 

– Kein transmissives Element wird benötigt 

– Optimale Ausnutzung des laseraktives Mediums 

Nachteile durch Beugung am Endspiegel: 

– variierendes Intensitätsprofil entlang der Propagationsrichtung 

– niedrige Strahlqualität 

Beurteilung von Resonatoren: Fresnelzahl 

Für NF =1 reproduziert sich das Hauptmaximum. Hohe Beugungsverluste treten bei NF1 

verbleiben mehrere Beugungsordnungen im Resonator, so dass die Ausbildung höherer Moden zu 

erwarten ist. 

Transversale Elektromagnetische Moden (TEM): 

Transversale Moden: 

– Sie beschreiben die Feldstärkeverteilung in den Ebenen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 

(Strahlprofil mit Minima und Maxima) 

– Sie werden durch die Bauweise des Resinators (Spiegeldurchmesser, -krümmung und -abstand) 

bestimmt 

– Die möglichen Schwingungszustände (=Moden) sind Lösungen der Wellengleichung mit den speziellen 

Randbedingungen der Resonatorgeometrie 

– Die Symmetrie der Resonatorspiegel bestimmt die Symmetrie der Moden 

Hermitesche Funktionen (kartesische Symmetrie des Resonators) 

Laguerresche Funktionen (radiale Symmetrie des Resonators) 

Fazit: 

– Strahlgeometrie wird bestimmt durch die Resonatorgeometrie 

– Transversale elektromagnetische Moden sind für Strahprofil verantwortlich 

– In der Regel wird in der Mitte des Strahls wird in der Regel höhere Intensität gewünscht à TEM00-Mode 

(aber hohe Verluste) 

– Aufgrund von Verstärkungseffekt können sich Profile untereinander verschieben(Mode-Competition)

Kapitel 6: Die Ausbreitung von Laserstrahlung 

Gaußstrahl: 

Die Rayleighlänge bzw. Tiefenschärfe des Strahls (zR) ist gekennzeichnet durch den Abstand von der 

Strahltaille, bei dem sich die Strahlfläche verdoppelt hat. Die Leistungsdichte (Intensität) am Strahlradius 

hat sich entsprechend halbiert. Im Bereich der Rayleighlänge kann der Laserstrahl als nahezu parallel 

betrachtet werden. 

Als Fernfelddivergenz bezeichnet man den halben Öffnungswinkel des Laserstrahlbündels,der 

asymptotisch für große Entfernungen von der Strahltaille erreicht wird. Sie ist jenseits der Rayleighlänge 

messbar. Durchschnitt im Fokus größer à kleine Fernfelddivergenz 

Strahlqualität: 

Ein Maß für die Strahlqualität ist das Strahlparameterprodukt. Es ist definiert als das Produkt aus 

Radius der Strahltaille und der Fernfelddivergenz. Dieses sollte möglichst klein sein. Das 

Strahlparameterprodukt bleibt bei der Abbildung durch eine fehlerfreie Optik unverändert. Das 

theoretische Minimum des Strahlparameterproduktes erreicht nur der Gauß‘sche Strahl. 

Um die Strahlqualität eines realen Lasers und damit seine Fokussiereigenschaften zu kennzeichnen, wird 

das praktisch erreichte Strahlparameterprodukt zum theoretischen Minimum ins Verhältnis gesetzt. Es 

ergibt sich die normierte Strahlkennzahl K. Die Beugungsmaßzahl M gibt an wie viel der gebeugten 

Strahlung in den Resonator zurückgespiegelt wird. (0schwierig zu definierende Strahlqualität 

Strahldiagnostik: 

5x Messung im Nahfeld innerhalb zR 

5x Messung im Fernfeld außerhalb der doppelten zR 

Strahlparameterprodukt: 

– Strahl ist in jedem Punkt zu berechnen 

– Vergleich mit Gaußstrahl (um wie viel ist derStrahl schlechter?) 

– Welcher Strahlradius ist im Fokus zu erwarten?

Problematik: 

Messvorschrift (zR innerhalb und außerhalb) erst nach Messung bekannt! 

=> Man misst ungefähr im Fokus 

A posteriori ist die Messung dann richtig. 

Detektoren für CO2-Strahlung: Pyroelektrischer ~, Dünnfilm-Bolometer, Thermoelement, Quanten~ 

Kapitel 7: Die Ausbreitung von Laserstrahlung II 

Fokussierung Gaußscher Strahlen: 

Möglichkeiten zur Erzielung eines kleinen Fokusradius: 

– Wahl einer kürzeren Wellenlänge 

– Verringerung der Brennweite 

– Aufweitung des zu fokussierenden Strahls 

– Anwendung einer geeigneten Linsenkombination 

Strahlführung: 

– Beim Festkörperlaser mittels Lichtleitfaser 

– Bei Gaslasern nicht möglich, da die Fasern eine zu hohe Absorption für CO2-Hochleistungslaser haben 

=> mit Optiken: 

Linsenoptik: 

Die Linse ist meist aus sehr giftigem ZnSe mit radioaktiver Antireflexbeschichtung. Verwendung eher als 

Laserschneidkopf. 

Spiegeloptik: 

Die Spiegel sind aus goldbeschichtetem Kupfer. Damit wird ein Reflexionsgrad von bis zu 99,8% 

erreicht. Die Strahlengänge werden mit Gas gefüllt. Der dadurch entstehende Druck verhindert, dass von 

unten Dämpfe eindringen. Je größer a, desto größer ist der Abbildungsfehler. Verwendung eher als 

Laserschweißkopf. 

Strahlformung: 

Grundelemente für die Strahlführung für CO2-Laser: 

– Transmissive Optiken (Linsen, Prismen, Brechnung an Grenzfläche) 

– Reflektive Optiken (Spiegel(spärisch, parabolisch, elliptisch, hyperbolisch), Reflexion an Grenzfläche) 

Ein Zirkularpolarisator macht aus linear polarisierter Strahlung zirkular polarisierte Strahlung. 

Einfluss der Strahlweglänge: 

Durch eine Veränderung der Strahlweglänge variiert das Bearbeitungsergebnis àFokusradius und 

Fokuslage ändern sich. Je größer die Strahlweglänge, desto kleiner der Fokusradius 

Teleskop: 

Ein Kepler-Teleskop hat eine höhere optische 

Qualität als ein Galilei-Teleskop. 

Für einen Einsatz in der Materialbearbeitung 

hat das Kepler-Teleskop den Nachteil, dass 

sich der Fokus zwischen zwei Linsen befindet. 

àEs kommt zu Absorptionseffekten an Luft

Adaptive Optik (AO): 

Spiegel, dessen Krümmung sich einstellen lässt. 

– fokussierende oder zerstreuende Effekte 

– Veränderung der Divergenz des Strahls 

AO befindet sich sehr nah am Resonator => Kleine Änderung an AO bewirkt eine große Änderung der 

Ausleuchtung der Fokussieroptik. 

Adaptive Optiken verschlechtern die Fokussierbarkeit des Strahls. Es treten Abbildungsfehler auf. Durch 

kleinere Strahldurchmesser < 40mm versucht man, Fehler klein zu halten. 

Lichtleitfasern: 

Im Kern: hoher Brechungsindex 

Im Mantel: niedriger Brechungsindex 

à Wegen Totalreflexion wird Strahlung im Kern geleitet 

Grenzwinkel αmax: Numerische Apertur 

Gebogene Faser: 

Im Bereich der Krümmung werden die Einfallswinkel kleiner => Reduzierung der Strahlqualität 

Bei gebogenen Fasern kann Strahlung austreten =>Neue Numerische Apertur (NA) abhängig von Dicke 

und Krümmungsradius 

– Je besser die Strahlqualität, desto dünner kann die Faser sein 

– Je dünner die Fasern, desto besser die Fokussierbarkeit 

Strahlparameterprodukt wird nach Austritt aus Faser größer (außer bei Monomodefaser) 

=> Qualität verschlechtert sich 

Fasertypen: 

– Stufenindexfaser: Intensität überKern konstant, Verwendung in Materialbearbeitung 

– Monomodefaser: Nur Gauß-Mode kan eingekoppelt werden 

– Gradientenindexfaser: Intensität im Kernzentrum größer 

Kapitel 8:Gaslaser 

Eigenschaften von Gaslasern: 

– Art des aktiven Mediums: Gas, Gasgemische 

– Thermodynamische Parameter im Lasergas: Druck, Temperatur -> Dichte 

– konstruktiven Aufbau:Resonatoranordnung: linear, gefaltet 

Gasströmung und Kühlung: axial-, radial geströmt, diffusionsgekühlt, rod-, slab- 

Anordnung 

Spezifische Eigenschaften im Vergleich zu Flüssigkeits-, Festkörper- und Halbleiterlasern: 

– niedrige Dichte des aktiven Mediums: (Gas-)Druck (10-10 4 Pa) 

=> langer Verstärkungsweg, große Abmessungen 

– homogenes aktives Medium 

=> bessere Strahlqualität 

– schneller Gasaustausch, effektive Kühlung 

=> hohe cw-Leistung 

Termschema der Excimer-Laserübergänge 

Excimere sind Moleküle, die nur in angeregten Zuständen existieren können (EXCited dIMER oder 

EXCIted state comPLEX) 

– dimer := Molekül aus zwei identischen Atomen 

– complex := Molekül aus verschiedenen Atomen 

EXCIMER heute gebräuchlich für beide Molekülarten ( auch mehratomige Verbindungen ) 

Excimer-Laser: Edelgas-Halogen-Verbindungen. Wird ein Edelgas angeregt, so wird ein Elektron in eine 

vorher leere äußere Schalegehoben. Damit verhält sich das Atom ähnlich einem Alkali-Atom.Das Atom 

kann dann Bindungen mit Halogeniden im angeregten Zustand eingehen.Für Laser kommen als Edelgase 

Argon, Krypton und Xenon, als Halogene Fluor, Chlor und Brom in Frage. Das untere Laserniveau ist 

antibindend, zerfällt also sofort (der Grundzustand ist also prinzipiell unbesetzt). Dadurch sind Excimere 

ideal als laseraktive Medien geeignet, weil ohne Schwierigkeit eine Besetzungsinversion erreicht wird. 

=> hoher Wirkungsgrad möglich ~ 1-10%

Schema zur Anregung gepulster Gaslaser: 

Im Kondensator findet eine starke Entladung statt. Die Elektronen stoßen auf ihrem Weg zwischen den 

Platten auf Gasteilchen => Anregung. Zur Vermeidung von Photodissoziation wird das Gas umgewälzt. 

VIS-Gaslaser: (Strahlung im sichtbaren Bereich) (Ar+, Kr+, HeNe) 

– Bei sichtbaren Lasern Emission durch Elektronenübergang (Bei UV-Laser Übergang von gebundenen 

zu nicht gebundenen Atomen) 

– Leistung von VIS-Lasern gering im Vergleich zu CO2-Lasern 

– Gute Strahlqualität 

– Wirkungsgrad sehr gering 

IR-Gaslaser: 

Emission von Laserstrahlung durch 

– Übergänge zwischen Rotations-Niveaus von Molekülen 

Schwingungszustände bleiben unverändert 

relativ kleine Energiedifferenzen, Emission im fernen Infrarot (FIR) 

25 µm< λ < 1 mm (H2O, D2O, CH3F, HCN, ICN, ...) 

Leistung: 100 mW - 1 W 

Anwendungen insbesondere in der Spektroskopie 

– Übergänge zwischen Vibrations-Rotations-Niveaus von Molekülen 

Schwingungszustände verändern sich 

höhere Energiedifferenzen 

5 µm < λ < 30 µm (CO, CO2,...) 

Leistung: 1 W - 100 kW 

Anwendung insbesondere in der Materialbearbeitung 

Hinzumischen von 2. Gas 

Helium zum Kühlen; CO2 sehr teuer in technischer Reinheit (ohne Verunreinigungen wie CO); 

N2-Gas: N2-Gas wird über Elektronenstöße angeregt àN2 regt über Schwingungen CO2 an àEnergie- 

Niveau liegt auf Höhe von CO2 NiveauàLaserübergang 

Umweg weil: 

– Wirkungsgrad wird enorm erhöht 

– Anregung von N2 leichter 

– Zu hohe Dichte von CO2-Molekülen führt dazu, dass CO2 untereinander stoßen und Energie zu 

schnell abgeben 

CO2-Laser: 

– Energieeffizienz sehr hoch => in Übergang geht ca. 1/3 der Energie 

– Hohe Wirkungsgrade zwischen 10% und 20% 

– Hohe Strahlqualität 

Anregungstechniken für den CO2-Laser: 

– Gleichstromanregung: Heißes Gas trifft auf Elektroden àVerunreinigungen können sich an 

Spiegel ablagern 

– Hochfrequenzanregung: Elektroden sind außerhalb der Röhre àLebensdauer von Röhren 

wird verlängert 

Erhöhung der Laserleistung bei CO2-Lasern mit Gasströmung: 

– Erhöhung der Anzahl von Entladungsrohren (Grenze: maximale Resonatorlänge) 

=>gefaltete Resonatoren (übliche Bauweise bei cw-Hochleistungslasern) 

– Steigerung des Betriebsdrucks (Grenze: Entladungsstabilität) 

=>TEA-CO2-Laser (gepulste Systeme mit hohen Pulsspitzenleistungen, erhöhte Leistung durch Betrieb 

unter höherem Druck) 

– Steigerung der Querschnittsfläche (Grenzen: Strahlqualität, Entladungsstabilität) 

CO2-Slablaser: 

Gas zwischen zwei Elektrodenflächen;Instabiler Resonator (Strahl tritt seitlich von Spiegel aus); Flacher 

Aufbau; Hohe Strahlqualitäten

Energieflußdiagramm eines typischen 7 kW-cw-CO2-Lasers: 

Energieaufnahme 74kW = Klimatisierung 2kW 

Gebläse 17kW 

HF-Anregung 15kW 

Gaskühlung 33kW 

Laserstrahlung 7kW 

Wirkungsgrad =9% 

Kapitel 9:Festkörperlaser 

Eigenschaften von Festkörperlasern: 

– Art des aktiven Mediums: Dotierte Isolatoren: Ionen seltener Erden oder Übergangmetalle in 

nichtleitenden Wirtskristallen 

– Anregung: optisches Pumpen mit 

– breitbandigen Edelgas- oder Halogenlampen (200-1000 nm) 

– schmalbandigen Halbleiterlaser(806 nm) 

– Konstruktiven Aufbau: Wassergekühlter Laserstab (flow-tube), Pumplichtreflektor, Faserkopplung 

Spezifische Eigenschaften im Vergleich zu Gas-, Flüssigkeits- und Halbleiterlasern: 

– Dichte der laseraktiven Ionen ca. 1019 cm-3 (Gaslaser ca. 1015 - 1017 cm-3) 

– Hohe Leistungen, kurze Pulse, effiziente Frequenzverdopplung, Thermische Linse 

– flexible Strahlführung durch Faseroptiken 

Nd:YAG-Laser: 

Eine Kryptondampflampe hat ihre Intensitätsspitzen ungefähr dort, wo Nd:YAG große Absorption hat 

à gut für Anregung geeignet 

Effizienz bei Pumpen durch Lampen relativ gering 

à Halbleiterlaser können genau in Energie-Niveaus hineinpumpen 

Prinzipieller Aufbau eines lampengepumpten Nd:YAG-Lasers: 

Durch die Doppelellipsenform wird erreicht, 

dass jeder ausgesendete Blitz in die Mitte 

desLaserstabes trifft. 

Energieflußdiagramm eines typischen 2 kW-cw-Nd:YAG-Lasers 

Energieaufnahme 100kW = Thermische Verluste Lampen 50kW 

Absorption (Wärme): Kavität 30kW 

Kühlwasser und flow tubes 7kW 

Laserstab 5kW 

Optische Verluste: Reabsorption in den Lampen 5kW 

Fluoreszenz 0,4kW 

Resonatorverluste 0,6kW 

Laserstrahlung 2kW 

Wirkungsgrad 2-3% 

Moderne Nd:YAG-Laser haben heute einen Wirkungsgrad = 15% 


Je besser die Strahlqualität, desto dünner das Lichtleitkabel, das verwendet werden kann.

Thermische Linse: 

Da die Temperatur über den Querschnitt nicht konstant ist, 

verändert sich auch die Brechzahl. Die optische Weglänge ist 

aufgrund des Temperaturprofils im Inneren des Laserstabes 

größer als am Rand. Der Laserstab wirkt daher wie eine Linse 

und verändert die Resonatorparameter.Die Thermische Linse 

beschränkt die maximale Pumpleistung! 

Vermeidung der thermischen Linse: 

– Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Wirtskristalls 

Auswahl des Wirtskristalls ist immer Kompromiss unterschiedlicher Eigenschaften. Heute am 

gebräuchlichsten bei Nd-Lasern: YAG-Kristall 

– effizientes Pumpen mit Diodenlasern (Steigerung des Wirkungsgrades auf ca. 20-30%, da 

Quantenwirkungsgrad > 50%; verbesserte Strahlqualität durch Verringerung der Thermischen Linse) 

– Optimierung der Kühlungsmöglichkeit 

– Scheibenlaser 

– Faserlaser 

– Slablaser 

– gepulster Betrieb (Kühlung zwischen den Pulsen) 

Nd:Glas-Laser: 

Vorteile von Glas: hoch dotierbar, in größeren Abmessungen herstellbar als YAG 

Nachteile von Glas: geringe Wärmeleitfähigkeit, nur gepulst mit geringen Repititionsraten betreibbar 

Anwendungen: Höchstleistungslaser z.B. Für Kernfusion 

Kühlung durch Verringerung des Volumens im Verhältnis zur Oberfläche 

Deswegen: 

Prinzip des Scheibenlasers: 

Prinzip des Faserlasers: 

(nur Gauß-Mode möglich)

Prinzip des Slablasers: 

(industriell nicht erfolgreich) 

Anwendungen von Nd:YAG-Lasern: 

Schweißen, Löten, Trennen, Bohren, Abtragen, Trimmen, Beschriften, Oberflächenbearbeitung 

Femtosekundenlaser: 

Bei breitbandigen Laserübergängen (Ti:Saphir: λ < 700 nm - λ > 1000 nm) können gleichzeitig mehrere 

longitudinale Moden im Resonator anschwingen. Bei fester Phasenbeziehung 

=> Interferenz => kurze Pulse 

Kapitel 10:Diodenlaser 

Eigenschaften von Halbleiterlasern: 

Art des Mediums: Schichtaufbau von Mischungshalbleitern (Ga-As Pb-Te) zur räumlichen Lokalisierung 

von elektrischen Übergängen und optischer Lichtausbreitung 

Spezifische Eigenschaften im Vergleich zu Gas-, Flüssigkeits- und Festkörperlasern: 

– extrem kleine Abmessungen (Länge =< 0,5 mm, Fläche = 0,2 x 0,2 mm 2 ) 

– einfache, effektive Anregung und damit Modulierbarkeit 

– großer Spektralbereich (0,5 - 30 µm) 

– flexible Strahlführung durch Faseroptiken 

– geringe Kosten 

– hoher Wirkungsgrad (ca. 50%) 

– relativ schlechte Strahlqualität bei Hochleistungssystemen 

– schnell (wichtig für Informationsübertragung) 

– Intensität von Diodenlasern nimmt mit zunehmender Leistung ab 

Anwendung: 

Wichtigste: Pumpen von Festkörperlasern 

Direkte: Oberflächenhärten, Löten, Kunststoffschweißen 

Halbleiter: 

Unterteilung eines Festkörpers in Valenz- und Leitungsband. 

– n-dotiert: Elektronenüberschuß, Elektron bewegt sich im Leitungsband 

– p-dotiert: Elektronenmangel, Fehlstelle (positiv) wandert im Valenzband 

Zusammenfügen von n- und p-dotiertem Halbleiter => Ladungsträger diffundieren an den Grenzflächen. 

Diffusion bildet sich so lange aus, bis Diffusionskraft nich mehr groß genug ist, um gegen die Raumladung 

anzukommen 

Anlegen von Spannung: Elektronen springen vom Leitungs- ins Valenzband => Photonenemission 

Höhere Spannung: Elektronen werden durch die Spannung immer wieder abgesaugt. Es entsteht eine 

Besetzungsinversion 

=> Laserbetrieb

Aufbau einer Laser-Diode: 

Eine Laserdiode besteht aus der Verbindung eines stark dotierten n-Halbleiters mit einem p-Halbleiter. Im 

thermischen Gleichgewicht liegt die Energie der Elektronen (Ferminiveau) in der n-Schicht innerhalb des 

Leitungsbandes und in der p-Schicht im Valenzband. Durch Anlegen einer Spannung in der Größe der 

Bandlücke (U=Eg/e) werden Elektronen von der n-dotierten Seite, bzw. Löcher von der p-dotierten Seite 

in den p-n-Übergang geschoben. Innerhalb des pn-Übergangs können nun Elektronen im Leitungsband mit 

Löchern im Valenzband rekombinieren. Dabei emittieren sie Photonen der Energie der Bandlücke Eg 

durch spontane Emission (Leuchtdiode). Durch Erhöhung des angelegten Stromes wird sowohl die 

Elektronenkonzentration der ndotierten Seite als auch die Löcherkonzentration der p-dotierten Seite 

erhöht, so dass es ab einer bestimmten Stromstärke (I - threshold; Schwellstrom) zur Besetzungsinversion 

kommt (die Wahrscheinlichkeit für die Rekombination eines Elektron-Lochpaares durch stimulierte 

Emission liegt höher als für die Anhebung eines Elektrons in das Leitungsband durch Absorption). Als 

Resonator der Laserdiode dienen die geschliffenen und polierten Endflächen des Halbleiters. Es tritt also 

stimulierte Emission ein und die Lichtleistung nimmt sprunghaft zu. Eine Laserdiode kann sowohl gepulst, 

als auch cw betrieben werden. Insbesondere ermöglicht die lineare Abhängigkeit zwischen Laserleistung 

und Diodenstrom (=Injektionsstrom) eine einfache Leistungsregelung. 

– Homostrukturlaser: p- und n-Schicht aus demselben Material, nur unterschiedlich dotiert. Führung des 

Strahls in der laseraktiven Schicht ist kaum gegeben - Strahl kann in nicht laser-aktive Bereiche 

eindringen dadurch entstehen Verluste und ein hoher Schwellstrom wird benötigt - cw-Betrieb nicht 

möglich 

– Doppelheterostruktur: Aktive Zone aus 0,1...0,5 µm dicker GaAs-Schicht und einem p-GaAlAs und n- 

GaAlAs Übergang. Durch geeignetes Profil des Brechungsindex wird Strahl genauer in der aktiven 

Zone geführt, dadurch entstehen wesentlich geringere Verluste und ein um den Faktor 100 geringerer 

Schwellstrom wird benötigt - cw-Betrieb möglich 

– Streifenlaser: Seitliche Führung des Stromes und der Strahlung in der aktiven Schicht. Verringerung 

der Anregungsströme und Verbesserung der Strahleigenschaften. Durch Streifenstruktur verbesserte 

Einkopplung in optische Fasern 

Typische Kennlinie einer Laserdiode: 

Der Bereich 0 

Hochleistungs-Diodenlaser: 

EinzelemitternàDiodenlaserbarrenàDiodenlaserstack 

P bis 10 kW bei Zusammenschaltung 

Aufbau eines Dioden-Lasers: 

Doppel-Heterostruktur-Diodenlaser: 

Löcher bzw. Elektronen werden in die ca. 0,5 µm breite aktive GaAs-Schicht injiziert. Der Aufbau der 

Doppel-Heterostruktur hat zwei Konsequenzen: 

– Die Energielücke nimmt monoton in der GaAlAs Schicht zu und wirkt als Potentialbarriere für einen 

Energieübergang außerhalb der eigentlichen laseraktiven Schicht. 

– Der Brechungsindex wird außerhalb der laseraktiven Schicht größer und wirkt als Lichtwellenleiter um 

die Effizienz der optisch rückgekoppelten Strahlung zu erhöhen. 

Mehrere solcher Laserdioden werden möglichst dicht nebeneinander zu einem Barren angeordnet. 

Das Strahlprofil einer Laserdiode ist elliptisch, da das Auskoppelfenster rechteckig ist, und die 

Laserstrahlung am Auskoppelfenster gebeugt wird. (Halbwinkel: fast axis: ca. 45 °; slow axis: ca. 7 °)

Wellenlängen- und Polarisations-Multiplexing: 

Beim Wellenlängen-Multiplexing werden verschiedene Wellenlängen überlagert. 

Beim Polarisations-Multiplexing werden nur bestimmte Polarisationsrichtungen überlagert. 

=> Erhöhung der Laserleistung bis zu einem Faktor 10 

Hochleistungs-Diodenlaser: 

Die Kopplung von einzelnen Laserdioden zu einem Diodenlaser-Stapel wird durch unterschiedliche 

Strategien realisiert: 

– Kopplung in mehrere Glasfasern, die dann zu einem dichten Bündel vereint werden 

– Überlagerung der einzelnen Teilstrahlen über Treppenspiegel oder Prismen. 

Hochleistungs-Diodenlaser müssen aktiv gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme 

abzuführen. 

Kapitel 11: Messtechnik 

Einsatzgebiete der Lasermesssysteme: 

- Biochemische Sensorik 

- Umweltschutz 

- Materialprüfung, Fertigungsmesstechnik 

- Medizin 

Vorteile optisch messen: 

Berührungslos, hohe räumliche und zeitliche Auflösung, auch im Vakuum oder unter erschwerten 

Bedingungen (hohe Temperaturen, Strömungsverläufe in Verbrennungsmotoren) möglich 

Anwendungen: 

- Justier- und Längenmesstechnik (Laserjustiertechnik, Abstands- und Dickenmessung, 

Entfernungsmessung) 

- Messungen an bewegten Objekten (Geschwindigkeitsmessung mittels Doppler-Effekt, LDA, PDA, 

Kurzzeit- und Hochgeschwindigkeitsphotographie) 

- Interferometrische Messtechnik (Schichtdickenbestimmung, Längenmessung, Holographische 

Interferometrie, Interferometrie, ESPI) 

- Analyse und Photochemie 

Justier- und Längenmesstechnik: 

Laserjustiertechnik Vorteile: 

- Beobachtung durch Fernrohre entfällt 

- Bezugslinie oder –ebene ist an der benötigten Stelle vorhanden 

- Einmannbedienung ist möglich 

- Starke Reduzierung der Messzeiten und des technischen Aufwandes 

- Automatisierbar 

- Genauigkeit übertrifft die der konventionellen Methoden, besser als 10 -6 rad 

- Überbrückbare Entfernungen sind größer 

Lasertriangulation: 

Das verwendete Verfahren ist eine weitere Entwicklung des Triangulationsverfahrens. Hier wird der 

Laserstrahl unter einem gewissen Winkel auf das Objekt gerichtet, und von dort aus zurückgeworfen. 

Aus dem Abstand zwischen Ausgangspunkt und dem Lichtpunkt auf der Oberfläche lässt sich die 

Entfernung zum Objekt berechnen. Das System wird zum Steuern von Robotergreifarmen verwendet.

Um den Automatisierungsgrad zu erhöhen, ist es notwendig, dass die Maschinen Entscheidungen immer 

öfter selber treffen können. Damit ein Computer die Entfernung und den Weg, auf dem er sich dem 

Werkstück nähern soll, berechnen kann, benötigt er ständig Informationen über den Abstand des 

Greifarmes zum Objekt. Aus diesem Grund werden die Roboter mit einer ganzen Fläche an 

lichtempfindlichen Sensoren (Quadranten-Fotodiode, Lateraleffekt-Diode, CCD-Kamera) ausgestattet, 

die es erlauben im Bereich von null bis fünf Metern den Abstand auf einen Hundertstelmillimeter genau 

zu bestimmen. 

Elektronisches Autokollimationsfernrohr: 

Zur Messung von Drehwinkel oder 

Verkippung einer Oberfläche 

Entfernungsmessung: 

durch Laufzeitmessung oder durch Phasenvergleich 

Nach der Art der Modulation sind drei Verfahren zu unterscheiden: 

- Sinusförmige Intensitätsmodulation: Die Laufzeit bewirkt eine Phasenverschiebung, die als 

Messgröße dient. Das erste Gerät dieser Art wurde 1928 entwickelt, um die Lichtgeschwindigkeit zu 

messen. 

- Impulsmodulation: Die Laufzeit eines kurzen Lichtimpulses dient als Messgröße. In Analogie zum 

Radar (Radiofrequency Detection and Ranging) spricht man deshalb von Lidar (Light Detection and 

Ranging). Das erste Gerät wurde 1938 eingesetzt, um Wolkenhöhen zu bestimmen. 

- Frequenzmodulation: Man verwendet das gleiche Verfahren wie beim FM-CW-Radar. Das 

kontinuierlich ausgesendete Licht erhält eine zeitabhängige Frequenzmodulation. Beim Mischen des 

zurückreflektierten und des gesendeten Lichtes auf einem Photodetektor entsteht dann eine von der 

Messentfernung abhängige Differenzfrequenz. Das Verfahren, das nur mit kohärentem Licht 

durchführbar ist, hat bisher keine praktische Bedeutung erlangt und wird daher nicht im Einzelnen 

behandelt 

Messung an bewegten Objekten: 

Doppler-Effekt: Trifft ein Lichtstrahl auf eine bewegte Oberfläche, verändert sich die Frequenz des von 

der Oberfläche zurück gestreuten Lichtes. Die Veränderung der Frequenz (Lichtwellenlänge) ist 

proportional zur Geschwindigkeit der Materialoberfläche. Man nutzt also das stark monochrom und 

hoch kohärente Licht des Lasers aus. 

Laser - Doppler – Anemometrie(LDA): 

zur Bestimmung von Fließgeschwindigkeiten 

Direkte Ausnutzung des Doppler-Effekts schwierig, da die Frequenzverschiebung gegenüber der 

Lichtfrequenz selbst für hohe Teilchengeschwindigkeiten sehr klein ist, daher sog. Zweistrahl- 

Anordnung. 

Phasen – Doppler – Anemometrie(PDA): Erweiterung der LDA 

Gleichzeitige Messung der Geschwindigkeit (3 Komponenten), Partikelgröße (0,5 µm - mehrere mm), 

Massenfluss, Konzentration, usw. 

Partikel streut das Licht der 2 Laserstrahlen. Die 2 gestreuten Strahlen interferieren, und ergeben einen 

Interferenzstrahl, dessen Frequenz proportional ist zu der Geschwindigkeit des Teilchens. Die 2 

Detektoren erhalten die 2 Strahlen mit unterschiedlichen Phasen. Die Phasenverschiebung zwischen den 

2 Signalen ist proportional zu dem Durchmesser des Teilchens. 

Kurzzeit- und Hochgeschwindigkeitsphotographie: 

Mit Lasern lassen sich sehr kurze Belichtungszeiten in der Größenordnung einer Pikosekunde (10 -12 s) 

erreichen. Hohe Pulsfolgefrequenzen → Bilder können im Abstand von Nanosekunden aufgenommen 

werden. Durch Fokussieren des Laserstrahls lassen sich Bilder mit sehr hoher Auflösung herstellen.

Interferometrische Messtechnik: 

Interferometrische Messungen gehören zu 

den genauesten der Messtechnik. 

Michelson-Interferometer: 

Gemessen werden können Länge, 

Geschwindigkeit, Kippwinkel, 

Rauheitsprofile von Oberflächen 

Holographische Interferometrie: 

Holographie ist eine Methode, Objekte dreidimensional abzubilden. Die Informationen über das Objekt 

werden dauerhaft auf speziellem Filmmaterial gespeichert. Bei der Belichtung des Objekts während der 

Aufnahme wird das Laserlicht je nach Form des Gegenstandes reflektiert. Da bei der Überlagerung 

zweier Wellen Verstärkungen und Auslöschungen des Lichts auftreten, bilden die Objektwellen, die 

vom Gegenstand reflektiert werden zusammen mit der Referenzwelle des zweiten Strahls auf dem Film 

ein individuelles Muster aus sich überlagernden Kreisen. Das Bild des Objekts wird also nicht wie bei 

einer Fotographie direkt auf den 

Film abgebildet. Vielmehr werden die vom Objekt erzeugten Wellenfronten, also die Lagen der vom 

Objekt gestreuten Lichtwellen aufgezeichnet. Daher enthält das Hologramm wesentlich mehr 

Informationen als ein normales Foto, bei dem nur die Amplitudenverteilung, also die Intensität des 

Lichts, nicht aber die Phasenverteilung gespeichert wird. Zur Betrachtung des Hologramms benötigt 

man einen Laser mit derselben Wellenlänge wie der bei der Aufnahme verwendete. 

Arten von Hologrammen: 

- Denisyukhologramm (Weißlichtreflexionshologramm) 

- Transmissionshologramme (gute räumliche Tiefe, Licht muss durch das Hologramm zum 

Betrachter) 

- Regenbogenhologramm(Weißlichthologramm, bekannteste und gängigste Art, gute Lichtstärke und 

räumliche Tiefe, vertikale Parallaxe fehlt, Herstellung: Transmissionshologramm (Master) -> 

Hologramm vom Masterhologramm) 

- Bildebenenhologramme (Weißlichtreflexionshologramm, Objekt schwebt in Filmebene) 

- Multiplexhologramm (Bewegungen darstellbar) 

- Prägehologramme(auf Kreditkarten, sehr Fälschungssicher wegen hohem Herstellaufwand) 

Schwingungen gut messbar (Gitarre, Glocke) 

Electronic-Speckle-Pattern-Interferometry (ESPI): 

Speckleinterferometrie: 2 Aufnahmen: Ausgangszustand + Veränderter Zustand → Interferogramm; 

Die ESPI-Methode gestattet die unmittelbare Messung der statischen oder dynamischen Verformung der 

Oberfläche von beliebigen Objekten. Vorteile im Gegensatz zur herkömmlichen Holographie sind die 

automatische Datenerfassung, die schnelle Bildauswertung und die Bestimmung und Interpretation der 

zu messenden physikalischen Größen. Bei der ESPI wird die Objektoberfläche auf einem CCD-Sensor 

abgebildet. Gleichzeitig zur Objektwelle wird die CCD-Sensorfläche mit einer Referenzwelle 

beleuchtet. Da Objektwelle und Referenzwelle interferenzfähig sind, ändert sich die 

Intensitätsverteilung des Speckles, wodurch sich ähnliche Verfahren wie in der holographischen 

Interferometrie realisieren lassen. 

Analyse und Photochemie: 

- Konzentrationsmessung mit Lidar (Laser- Wellenlänge auf Hauptabsorptionsline des Gases 

einstellen, Anteil des absorbierten Lichts messen) oder Resonanz-Ionisations-Spektroskopie RIS 

(wie Lidar, nur Energie des Lasers so hoch, das Atome ionisiert werden, Messung z.B. über 

Geigerzähler, 1 Teil auf 100 Milliarden andere nachweisbar). 

- Temperaturmessung mit Dopplereffekt (Temperatur = Teilchenbewegung); z.B. Temperatur in 

Plasma messbar

Kapitel 12: Lasersicherheit 

Einteilung: 

- Primäre Gefährdungspotentiale: Laserstrahl (direkte Bestrahlung von Auge/Haut, Reflexionen) 

- Sekundäre Gefährdungspotentiale: - Bearbeitungsprozess: Sekundärstrahlung (Röntgen, UV) und 

Emission (Rauch, Staub, Aerosol, Gas) 

- Werkzeugmaschine: elektr. Und mech. Gefahren 

- Schutzmaßnahmen: Apparative, Bauliche, Organisatorische 

Primäre GP: 

Einfallende Strahlung wird an Haut gestreut, absorbiert, zurückgestreut (ca. 40%-50%) 

UV: starke Absorption, geringe Eindringtiefe; Hautalterung, Hautkrebs 

VIS: größte Eindringtiefe; therm. Wirkung, photochem. Prozesse 

IR: Eindringtiefe wird kleiner; Verbrennungen 

Auge: 

UV: Absorption an Hornhaut/Linse; Grauer Star, Entzündung der Hornhaut/Bindehaut 

VIS: hohe Gefährdung der Netzhaut; photochem. Und therm. Wirkung; Lidschlussreflex 

IR: kein Lidschluss; Absorption in Netzhaut bis Hornhaut, therm. Schäden 

Photoablation: Bestrahltes Gewebe wird verdampft; Korrektur der Hornhaut möglich 

Photodisrution: Ionisation->Plasma->Druckwelle; z.B. Zertrümmern von Nierensteinen 

Laserklassen: 

Sekundäre GP: 

- Gefährdungen, die durch menschliche Faktoren entstehen (Fahrlässigkeit, Missachtung von 

Warnhinweisen, Nichtvertrautheit, eingeschränkte Bedienfähigkeit z.B. durch Alkohol) 

- Gefährdungen durch äußere Einflüsse (Temperatur, Stöße, Stäube, elektromagn., Steuerung) 

- Inhärente Gefährdungspotentiale (mech./elektr., Sekundärstrahlung, Warme, Vibration) 

- Gefährdungen durch Emission 

Zusammenfassung: sekundäre Gefährdungspotentiale 

- "sekundär" bedeutet nicht nebensächlich oder vernachlässigbar 

- Rauch und Stäube sind kein laserspezifisches Problem 

- Bearbeitung von organischen Materialien ist aufgrund der Vielfalt der zu erwartenden Stoffe und 

ihres Gefährdungspotentials kritisch zu bewerten

- Abschätzung der Belastung ist auch mit einfachen Mitteln möglich (Arbeitsplatzanalyse) 

- im Zweifelsfall Arbeitsplatzmessungen durch ein qualifiziertes Institut durchführen lassen (z.B. 

LGA) 

Schutzmaßnahmen: 

- Apparativ: Gehäuse, Sicherheitsverriegelungen, Kennzeichnung 

- Baulich: Abgrenzung des Laserbereichs, Kennzeichnung, Auswahl geeigneter Materialien 

- Organisatorisch: Anmeldung, Zugangsbeschränkung, Unterweisung, Schutzausrüstung, 

Systemanalyse 

Unternehmer/Laserschutzbeauftragter: baulich+organisatorisch 

Hersteller: apparativ (aber: Unternehmer/Laserschutzbeauftragter: Kontrollpflicht)

Kapitel 2: Urformen 

Rapid Prototyping (RP): Schnelle Fertigung von Prototypen mit seriennahen Eigenschaften, signifikant 

schneller als der Durchschnitt. 

Rapid Manufacturing, Rapid Tooling, Functional Prototyping, Concept Modelling 

RP nach Burns: 

– subtraktiv (HSC-Fräsen, Erodieren, LS-Abtragen) 

– additiv (SLA, SLS, LOM) 

– formativ (LS-Biegen, Inkrementelles Umformen) 

Additiv: 

In der Regel CAD-Modell als Vorlage -> Wird auf dem Rechner in Schichten zerlegt (Slicing) -> An 

der Verarbeitungsanlage wird eine Schicht nach der anderen hergestellt -> Schichten werden 

zusammengefügt -> Vorgang vollkommen automatisiert 

Genauigkeit bei additiven RP-Verfahren, Probleme: 

– Sekantenfehler bei Dreieckselemente 

– Schichtbildungsfehler ω(siehe Bild) 

Schichtdicke klein => Genauigkeit groß, aber Bauzeit lang! 

Einfluss der Bauteilorientierung: 

Stereolithographie (SLA): 

Der Verfahrensablauf bei der Stereolithographie ist ähnlich dem des Laserstrahlsinterns. Anstelle 

eines Pulvers wird jedoch mit einem flüssigen Photopolymer gearbeitet. Die wesentlichen 

Prozeßschritte sind, wie beim Laserstrahlsintern, das Absenken der Bauplattform um eine 

Schichtdicke(1), der anschließende Beschichtungsvorgang(2) und das Belichten der oberen Schicht, 

um diese auszuhärten(3). Bei der Stereolithographie entsteht das Bauteil durch eine photochemische 

Reaktion und nicht durch das Schmelzen und Erstarren einzelner Bereiche. Es kommt das Prinzip 

der Photopolymerisation zur Anwendung. Hierzu wird ein nicht oder nur gering vernetztes Monomer 

eingesetzt. Die auszuhärtenden Bereiche werden durch einen Laserstrahl, der die Bauteilgeometrie 

abfährt, nacheinander, lokal begrenzt polymerisiert. Laser im UV-Bereich! 

Selektives LS-Sintern (SLS): 

Temperaturunterschiede im Bauteil während des Bauvorgangs sehr gering => der durch thermisch 

induzierte Spannungen verursachte Verzug des Bauteils kann vermieden werden. 

Beim Laserstrahlsintern von Metallen ist es nicht möglich, das Pulverbett auf eine Temperatur knapp 

unterhalb der Sintertemperatur aufzuheizen. Dies würde bei Metallpulvern, die bereits ab etwa der 

Hälfte der Schmelztemperatur zu sintern beginnen (Festphasensintern) und bei Bauzeiten von 

mehreren Stunden dazu führen, daß das gesamte Pulverbett verfestigt wird und somit das eigentliche 

Bauteil nicht mehr entnehmbar ist. 

Verfahrensablauf siehe SLA 

Verarbeitbare Materialien:- Kunststoffe: Nylon,Polycarbonat, Polystyrol, Formwachs 

- Metalle: Pulver aus Bronze, Nickel und Kupferphosphid; Pulver auf 

Stahl-Basis (Selektives Laserschmelzen); Stahlpulver (Körner ummantelt 

mit Kunststoff) 

- Präkeramische Polymere: Selektives Lasercuring (SLC) zur Formgebung 

direkt: hoch- und niedrigschmelzende Komponente werden mit LS direkt gesintert 

indirekt: Metall mit Kunststoffmantel, Formgeben mit Laser, konventionelles Sintern im Ofen 

(höhere Festigkeit, mehr versch. Werstoffe verarbeitbar, aufwendiger, geringere 

Maßhaltigkeit)

Wichtige Prozeßgrößen beim SLS: 

– Laserleistung (50 W bis 1500 W) 

– Fokusdurchmesser (0,4 mm bis 1 mm); begrenzt Genauigkeit die erreicht werden kann 

– Scangeschwindigkeit (50 mm/s bis 5000 mm/s) 

– Abstand zwischen benachbarten Spuren/Hatchabstand (0,05 mm bis 0,2 mm) 

– Schichtdicke (0,05 mm bis 0,3 mm) 

Aufbau LS-Sinteranlage: 

Eine Laserstrahlsinteranlage besteht aus einer Prozeßkammer, in der sich eine Bauplattform zur 

Aufnahme des Bauteils, ein Pulvervorratsbehälter, ein Auffangbehälter zur Aufnahme überschüssigen 

Pulvers, eine Pulverauftragseinrichtung und ggf. Heizelemente zum Heizen des Pulverbettes befinden. 

Der Laserstrahl, wird über ein Strahlführungssystem in einen Scanner geleitet. Durch die 

Scannereinheit wird der Strahl gemäß den Schichtdaten abgelenkt und über eine Linse auf die 

Pulveroberfläche fokussiert. Mit Hilfe einer Planfeldoptik kann ein planes Feld belichtet werden; 

allerdings sehr teuer 

Direktes Laserstrahlsintern: Eigenspannungenkönnen zu Delamination oder Verzug führen 

Laminated Object Manufacturing (LOM), auch LLM: 

LLM: folienartige, flächige Schichten, Zusammenhang innerhalb einer Schicht schon gegeben; sehr 

gut, wenn Volumen gegenüber Fläche sehr groß ist 

Prinzip: 

1. Schichtfixierung => 2. Konturgenerierung => 3. Hubeinheit senken => 4. Coil abwickeln 

Kapitel 3: Fügen mittels Laserstrahlung 

Schweißen ist das Vereinigen von Werkstoffen in der Schweißzone unter Anwendung von Wärme 

und/oder Kraft mit oder ohne oder Schweißzusatz. Die zum Schweißen notwendige Energie wird von 

außen zugeführt. 

3D-Laserstrahlschweißen im Karosseriebau heute: 

verbessertes Crashverhalten, verringertes Gewicht, geringere Kosten 

Konstruktive Möglichkeiten: 

Bei einem Zusammenstoß wirken die einzelnen Schweißpunkte wie ein Reißverschluss, der nach und 

nach aufgeht. Vorteil des Laserschweißens: Es wird eine komplette Naht geschweißt 

Konstruktive Eigenschaften: 

– Beim Laserschweißen wird nur einseitige Zugänglichkeit benötigt 

– Hohlstrukturen in Bezug auf Steifigkeit besser als flächige Strukturen 

Laserstrahlschweißen von Antriebskomponenten: 

Vorteile des Laserstrahlschweißens: 

– geringer Wärmeeintrag 

– verringerter Verzug 

– verbesserte Rundlaufeigenschaften 

– erhöhter Komfort 

Absorptionsmechanismen bei Laserstrahlschweißen: 

Ausbildung einer Dampfkapillare und 

Plasmabildung bei Erreichen einer 

Schwellintensität. Sprunghafte Steigerung der 

Einkopplung bis zu nahezu 100% durch 

Vielfachreflexion sowie höhere Absorption der 

Strahlung im Plasma in der Dampfkapillare. 

Ablösung eines laserinduzierten Plasmas von 

der Werkstückoberfläche; Absorption, 

Reflexion und Streuung des Laserstrahls im 

Plasma => Abnahme der im Werkstück 

absorbierten Laserleistung

Auswirkung der Absorptionsmechanismen: 

Trägt man die Einschweißtiefe 

über der Strahlintensität auf, so 

erkennt man den Effekt der 

anomalen Absorption sowie der 

Plasmaabschirmung bei Erreichen 

der kritischen Intensität 

(Schwellintensität). 

Charakteristika des Wärmeleitungsschweißens: 

– Vergleichsweise geringe Vorschubgeschwindigkeit 

– Hohe Streckenenergie 

– Halbkreisförmiger Nahtquerschnitt mit Nahtbreite >> Nahttiefe 

– Nahtoberraupe und Wurzel sehr gleichmäßig 

– Verbindungsschweißen nur für Werkstoffe mit niedrigschmelzender Oxidhaut möglich 

– Bearbeitung nicht im Fokus 

Charakteristika des Tiefschweißens: 

– Hohe Vorschubgeschwindigkeit 

– Geringe Streckenenergie => geringer Bauteilverzug 

– Großes Verhältnis Nahttiefe zu Nahtbreite 

– Nahtoberraupe und -wurzel sehr gleichmäßig 

– Bearbeitung nahe am Fokus 

– Strahleinkopplung liegt bei 70 – 80% 

Schweißbarkeit: 

– Schweißeignung (chemische Zusammensetzung, metallurgische/physikalische Eigenschaften) 

– Schweißmöglichkeit (Schweißvorbereitung, Ausführung der Schweißarbeiten) 

– Schweißsicherheit (Nahtanordnung und Kraftfluss, Art der Beanspruchung, Werkstoffeigenschaften, 

Verformungs- und Eigenspannungszustände) 

Es gelten folgende prinzipielle Zusammenhänge: 

– Hoher C-Gehalt Aufhärtung interkristalline Kaltrisse können auftreten ab C >0,2% nur mit 

besonderen Maßnahmen schweißbar (zusätzliche Wärmebehandlung, Zusatzwerkstoff...) 

– Hoher (S, P, Pb)-Gehalt niedrig schmelzende Phasen (Eutektika) können an den Korngrenzen 

auftreten nicht schweißbar (Heißrisse, Poren) 

Eigenschaften des Al: 

– Hoher Reflektionsgrad und hohe Wärmeleitung (=> hohe Schwellintensität erforerlich) 

– Niedrige Ionisierungsenergie (=> früh eintertender Abschirmeffekt des Plasmas) 

– Chemische Reaktionen der Legierungselemente (=> Porenbildung) 

– Heißrissneigung 

– Oxidschicht (Gefahr des Nichtaufschmelzens) 

– Hohe Wärmeleitfähigkeit (unerwünschte Konduktion der Wärmeenergieerschwert Tiefschweißen) 

Qualitätsmerkmale: 

Der Wärmeeintrag beeinflusst die Festigkeit der Schweißverbindung und ist deshalb relevant für die 

Beschreibung der Qualität einer Schweißnaht. Hierzu gehören z.B.: 

Gefüge, Härte, Porosität(Al kann im flüssigen Zustand viel H2 aufnehmen. Schnelle Erstarrung kann 

zu Porenbildung führen), Eigenspannungen (Schrumpf~, Abschreck~, Umwandlungs~)

Aluminiumlegierungen können im Gegensatz zu Stählen vollkommen andere Härteverläufe aufweisen. 

Die Härte kann beim Schweißen dieser Werkstoffe sogar stark abnehmen! 

Einfluss von Schutzgas: 

Häufigste eingesetzte Schutzgase: Helium, Argon 

– Schutzgas zur Abschirmung der Fügezone vor dem Luftsauerstoff 

– Beeinflussung der Plasmabildung: Aufgrund seiner hohen Ionisationsenergie (E=24,6 eV) bildet 

Helium nur selten ein abschirmendes Plasma, ist aber teurer als Argon 

Zusatzwerkstoff zur Erhöhung der max. Spaltweite und zur Verbesserung der Nahtqualität 

Tailored Blanks ( Wichtigste Anwendung des Laserschweißens überhaupt): 

Unter Tailored Blanks versteht man Werkstoffverbunde, die gezielt auf den jeweiligen 

Verarbeitungsprozess und Anwendungsfall abgestimmt sind. Am häufigsten kommen hierbei Bleche 

aus verschiedenen Materialien und/oder mit verschiedenen Blechdicken zum Einsatz, die vor dem 

Umformen gefügt werden. Dazu bietet sich das Laserstrahlschweißen an. 

Vorteile: Genauigkeit, Steifigkeit, Wirtschaftlichkeit, Gewichtsreduktion, Vereinfachung der Fertigung 

Konkurrenzverfahren: Quetschnahtschweißen 


Kartesische Roboter (Verfahrachsen x/y/z, evtl. zusätzliche Drehachsen für den Bearbeitungskopf) 

Vorteile: 

großer Bearbeitungsraum, besseres Führungsverhalten durch eine größere Gestellsteifigkeit 

Nachteile: 

hohe Investitionskosten, großer Platzbedarf, große Anzahl Umlenkspiegel (für CO2-Laser) 

Strahlführung mit Teleskoparm: 

Nachteile: 

Weniger Freiheitsgrade als Gelenkarm, Änderung der Strahlweglänge in Abhängigkeit vom 

Bearbeitungsort => keine konstanten Fokussierbedingungen 

Strahlführung mit Gelenkarm: 

Nachteile: 

Zusätzliche Abstützung des Gelenkarms erforderlich, Größere Anzahl an Umlenkspiegeln 

(7 gegenüber 5) =>Justageaufwand steigt 

Allgemein: 

– Externe Strahlführungssysteme beschränken die Freiheitsgrade des Roboters 

– Eindeutige Zuordnung der Kinematiken von Roboter und Strahlführungssystem fehlt 

Strahlführung eines Nd:YAG-Lasers mittels Glasfaserkabel und Knickarmroboter: 

– Da Glas für die Wellenlänge eines Nd:YAG-Lasers transparent ist, kann der Strahl im Gegensatz 

zum CO2-Laser mittels Glasfasern geleitet werden 

– Bei ND:YAG-Lasern wird meist eine Kombination aus Knickarmroboter und Lichtleitkabel zur 

Strahlführung eingesetzt 

– Eine Integration des Lichtleitkabels in den Roboterarm ist aufgrund der minimalen Biegeradien von 

ca. 200 mm meist nicht möglich

Laserstrahlschweißgerechte Konstruktion: 

Zugänglichkeit und Robotergerechtigkeit: 

Zugänglichkeit 

Radien und Verfahrwege 

Anpassung der Fügegeometrie: 

Nahtform 

Freiheitsgrade 

Entgasungshilfen 

Form und Lage der Naht 

Dreiblechschweißung 

vermeiden 

Selbstzentrierung gibt hohe 

Sicherheit gegen 

Bearbeitungsfehler 

Einhaltung von 

Fügespalttoleranzen 

Durchgehende 

Bearbeitungsbahnen 

Durchgeschweißte Nähte 

Ausreichende Wärmeabfuhr 

ermöglichen

Laserstrahllöten: 

Die Abgrenzung der Lötverfahren erfolgt nach der Liquidustemperatur der Lote: 

– bis 450 °C: Weichlöten 

– ab 450 °C: Hartlöten 

– ab 900 °C: Hochtemperaturlöten (flussmittelfrei unter Luftabschluss im Vakuum oder unter 

Schutzgas) 

Löten ist ein thermisches Verfahren zum Fügen und Beschichten metallischer Werkstoffe mit Hilfe 

eines geschmolzenen Zusatzmetalls (Lotes), gegebenenfalls unter Anwendung von Flussmitteln 

und/oder Löt-Schutzgasen. 

Im Gegensatz zum Schweißen ist das Lot i.A. nicht artähnlich aufgebaut und niedriger schmelzend als 

der Grundwerkstoff. Die Solidustemperatur der Grundwerkstoffe wird beim Löten nicht erreicht. 

Es ist zwischen dem Spaltlöten (s < 0,25 mm) und dem Fugenlöten (s > 0,25 mm) zu unterscheiden. 

Während beim Spaltlöten durch den herrschenden Kapillareffekt das Lot in den Lotspalt gezogen wird 

und die gesamten Nahtflanken benetzt, dient das Fugenlöten zur Füllung großer Nahtbereiche 

Laserstrahlhartlöten im Karosseriebau: 

– Dichtigkeit zur Vermeidung von Spaltkorrosion 

– Lackierfähigkeit der Oberfläche 

– geringe/günstige Nachbearbeitung (v.a. Richt- und Schleifarbeiten) 

– Gemessen an Zug- und Scherspannungen ist ein hartgelötetes Bauteil gleichermaßen belastbar wie 

ein geschweißtes 

– Möglichkeit des Auslötens von Bauteilen erlaubt die leichte Reparatur von beschädigten Karosserien 

Vergleich Schweißen/Löten: 

Laserstrahlmikrofügen: 

Laserstrahl-Mikrolöten: 

selektives Lötverfahren, im Gegensatz zu Massenlötverfahren wie Reflowlöten im Durchlaufofen; 

Einsatz: wenn nur weinge Teile gelötet werden, Reperatur, Bauteile halten Reflowofen nicht aus 

Ein selektives Lötverfahren, das hier besonders betrachtet wird ist das sog. Simultane Laserstrahllöten, 

bei dem alle Anschlüsse eines elektronischen Bauelementes gleichzeitig durch die Laserstrahlung 

erwärmt werden. Vorteile: 

– hohe Produktivität 

– schnelle Ansteuerbarkeit 

– berührungslos 

– geringer Wärmeeintrag 

– kein Niederhalter notwendig 

– Selbstzentrierung der Bauelemente

Kapitel 4: Trennen I: Laserstrahlabtragen 

Wesentliche Phänomene für das Abtragen mit Laserstrahlung: 

– Absorption der Strahlung 

– Erwärmen 

– Schmelzen (mittels Gas kann die Schmelze ausgetrieben werden) 

– Verdampfen des Werkstoffs (bei noch höherer Energie) 

– Materiestrahlbildung (entstehender Materiedampf sorgt dafür, dass Schmelze ausgetrieben wird) 

– Plasmaeffekte 

– Abkühlphänomene und Werkstoffumwandlung 

Einflussfaktoren auf den Materialabtrag mit Laserstrahlung 

– Laser: Wellenlänge, Pulsenergie, Pulsform (zeitlich), Pulsdauer, Pulszahl, Intensitätsform 

– Laserstrahl: Divergenz, Linsenbrennweite, Fokuslage, Intensitätsverteilung 

– Bearbeitung: Gasstrahl, Vorheizung, Atmosphäre 

– Werkstoff: Absorptionskoeffizient, Schmelztemperatur, Verdampfungstemperatur, 

Wärmeleitfähigkeit, Viskosität der Schmelze 

Eigenschaften des Laserstrahlformabtragens (Werkzeugbau): 

– mehrere Bearbeitungsschritte auf einmal (z.B. Abtragen und Härten) 

– Sowohl Bearbeitungszeit als auch -kosten liegen bei konventioneller Bearbeitung bei geringen 

Stückzahlen des Werkzeugs höher als bei der Laserbearbeitung. 

Verfahrensprinzip Laserstrahl-Oxidspanen: 

– Der fokussierte Laserstrahl erhitzt lokal die Werkstückoberfläche unter einer Sauerstoffatmosphäre. 

– Bei Überschreiten der Zündtemperatur brennt Stahl. Zusätzlicher Energiegewinn durch die 

exotherme Reaktion. Der Werkstoff schmilzt. 

– Starke Volumenzunahme durch Phasentransformation fest-flüssig, Oxidation, Wärmeausdehnung 

und Porenbildung (C aus dem Werkstoff verbrennt zu CO2) 

– Das Oxid erkaltet unter Volumenabnahme. Der Temperaturgradient im erstarrenden Oxidspan führt 

zur Spanbiegung. 

– Kontraktionskräfte überschreiten Adhäsionskräfte. Das Oxid reißt von der Werkstückoberfläche ab. 

=>Relativ gute Oberflächenqualitäten und sehr kontrolliertes Abtragen 

=>Relativ geringe Abtragsraten 

Ablenkung von Laserstrahlung: 

Scanverfahren: 

– akustooptische: kau eingesetzt 

– mechanische Prinzipien: Kippspiegel (sehr schnell), Drehspiegel (größere Wege, Robuster) 

Maskenprojektion: 

Eine Maske wird über ein optisches System auf das Werkstück abgebildet bzw. als Kontaktmaske für 

einen Schattenwurf verwendet. 

Vorteile: 

Maske kann “relativ” grob sein, und sie wird nicht geschädigt. Sehr schnelles und genaues Verfahren. 

Nachteile: 

nur relativ kleine Arbeitsbereiche, nicht flexibel. Verlust von Laserleistung an Maske Einsatz bei 

kurzgepulster, hochenergetischer Strahlung 

Verwendung bei immer wiederkehrenden Logos 

Verfahrensmerkmale des LS-Mikrostrukturierens: 

– Berührungsloses Verfahren (verschleißfrei; geringe Belastung des Werkstücks) 

– Große Flexibilität (keine Abhängigkeit von der Werkzeuggeometrie) 

– Hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten 

– Normalerweise schwer zugängliche Bereiche bearbeitbar 

– Vielzahl bearbeitbarer Materialien

Laserstrahlbeschriften: 

Eigenschaften der Laserstrahlbeschriftung 

Vorteile: Berührungsfrei, Verschleiß - und Kräftefrei, Geeignet für alle Werkstoffe, Dauerhafte 

Beschriftung, Hohe Auflösung, Auch für unebene Oberflächen, Gut automatisierbar, Ohne 

Rückstände 

Nachteile: Hohe Anlagenkosten 

Nd:YAG hauptsächlich für metallische Oberflächen, CO2-Laser für Nichtmetalle 

Laserstrahlbohren: 

Vorteile: schleifende Einstiche möglich, unterschiedliche Materialdicken Durchbohren der gegenüberliegenden 

Seite ist auszuschließen, konkurrenzlos bei Bohren von Mehrschichtleiterplatten 

Verfahren des Laserstrahlbohrens: 

– Einzelpulsbohren 

– Mehrpulstechnik oder Perkussionsbohren (dauert 4x so lange wie Einzelpuls, genauer) 

– Ausschneide- oder Trepannierbohren (Grenzverfahren zwischen Schneiden und Bohren) 

Kapitel 5: Trennen II: Laserstrahlschneiden 

Wichtige Prozeßparameter und Einstellgrößen: 

– Laserleistung (cw,Puls) 

– Fokuslage, -durchmesser → Intensität 

– Rayleighlänge 

– Polarisation 

– Betriebsmodus: cw / pulsed 

– Schneidgeschwindigkeit 

– Streckenenergie 

– Werkstoff 

– Arbeitsgasgas (Art, Druck) 

– Düsenabstand, -durchmesser 

Dauerstrichbetrieb (continuous wave) oder Pulsbetrieb 

Vorteile des gepulsten Schneidens: 

– Durch Festlegung von Pulsdauer/Frequenz gesteuerte Energieeinbringung (Laserleistungskontrolle) 

– Durch üblicherweise hohe Pulsleistung/-spitzenleistung verbesserte Absorption (Überschreiten von 

Schwellenenergien, Aufbrechen von z.B. Oxidschichten) 

– Geringe Wärmeleitungsverluste bei kurzen Pulsdauern 

Nachteile des gepulsten Schneidens: 

– Diskontinuierliche Energiezufuhr 

– Meist geringere Schneidgeschwindigkeit

Die Anwendung des gepulsten Schneidens liegt v.a. im Schneiden von schwierigen Konturelementen 

und bei hochreflektierenden, gut wärmeleitenden oder temperaturempfindlichen Werkstoffen. Da 

gepulste Laser (Nd:YAG, Excimer) aufgrund ihrer Wellenlänge auch eine bessere Fokussierbarkeit bei 

jedoch geringerer Schneidgeschwindigkeit besitzen, werden sie vorwiegend zum Feinschneiden 

eingesetzt. Ausnahme: Hochleistungsfestkörperlaser finden v.a. im 3D-Bereich durch die einfache 

Strahlführung mittels Lichtleitfaser zunehmend Verwendung. 

Sublimierschneiden: 

Der dominante Anteil des Werkstoffes wird verdampft 

Vorteile: 

– Allenfalls kleine Schmelzfilmdicken => glatte Schnittkanten 

– Kleine Ausdehnung der WEZ, geringe Wärmebelastung des Werkstücks 

– Schnittfläche oxidfrei => Weiterbearbeitung (z.B. Lackieren oder Schweißen) ohne Nachbehandlung 

– Anwendung insbesondere bei Werkstoffen ohne ausgeprägten Schmelzpunkt 

Nachteile: 

– Hohe Intensitäten erforderlich => leistungsstarke Laser mit hoher Strahlqualität 

– Nur langsame Schneidgeschwindigkeit möglich 

Schmelzschneiden: 

Aufschmelzen des Werkstoffs durch den Laserstrahl und Austrieb mit einem inerten Gasstrahl 

Vorteile: 

– Geringer Energiebedarf zum Aufschmelzen des Werkstoffs => höhere Schneidgeschwindigkeiten bei 

gleicher Intensität 

– Keine Oxidation der Schnittkanten 

– Trennen von unterschiedlichen Werkstoffen möglich: Gläser, Kunststoffe und Metalle 

Nachteile: 

– Genaue Anpassung der Schneidparameter erforderlich 

– Große WEZ durch Wärmeabgabe der Schmelzphase an den Grundwerkstoff 

– Schmelzströmung kann zu charakterisierten Riefen in der Schnittfuge und Bartbildung an der 

Austrittsseite der Fuge führen 

– Hoher Schneidgasverbrauch 

Brennschneiden: 

Aufheizen des Werkstoffs (mindestens auf Zündtemperatur) durch den Laserstrahl und Energiezufuhr 

aufgrund der exothermen Reaktion der Schmelze mit dem Schneidstrahl (O2) 

Vorteile: 

– 4 bis 6-fach höhere Schneidgeschwindigkeiten als bei Schmelzschneiden 

– Geringer Gasdruck 

Nachteile: 

– Oxidation der Schnittkanten 

– Gefahr des Materialabbrandes (durch geeignete Prozessführung vermeidbar, z.B. Pulsbetrieb, 

Reduzierung des Schneidgasdruckes) 

Arata-Modell: (weiteres Modell für die Erklärung der Riefenbildung beim Brennschneiden) 

Der Laserstrahl erhitzt den Werkstoff auf Zündtemperatur. Der Werkstoff brennt durch eine exotherme 

Oxidationsreaktion ausgehend vom Ort der Zündung selbstätig ab. Die Schneidfront entfernt sich so 

lange vom Laserstrahl, bis die Energie aus dem Reaktionsprozeß nicht mehr ausreicht, den 

Brennvorgang aufrecht zu erhalten. Der Brennvorgang erlischt und wird vom Laserstrahl bei 

zunehmender Annäherung an die Schneidfront erneut gezündet. 

Schneidgeschwindigkeit und erreichbare Rauhtiefe als Funktion der Blechdicke: 

Die Schneidgeschwindigkeit ist in etwa proportional zur Laserleistung und umgekehrt proportional zur 

Blechdicke. Die erzielbaren Schneidgeschwindigkeiten sind stets mit dem jeweiligen Kriterium für die 

Bearbeitungsqualität zu sehen.

Kritische Konturelementen: 

– schmale Stege und spitze Winkel => Wärmestau im Werkstoff => Überhitzung => Verzug, 

Abschmelzen, Aufhärtung 

– kleine Radien => hohe Achsbeschleunigungen erforderlich; Verringerung der 

Schneidgeschwindigkeit; Geometrieabweichungen 

– Wärmebeeinflussung bei schmalen Spalten und Stegen => Veränderung der Werkstoffparameter 

=> Gratbildung 

– große Schnittlängen => Verzug durch Wärmeeinbringung =>Geometrieabweichungen 

Charakteristische Geometrieabweichungen sind z.B.: 

– Geradheit der Schnittkante 

– Rundheitsabweichung 

– Maßabweichungen 

– Abweichungen von der Parallelität 

– Abweichungen von der Rechtwinkligkeit 

– Eckenversatz 

Geometrieabweichungen werden in erster Linie durch die dynamischen Eigenschaften der 

Führungsmaschine verursacht. 

Durch Laserstrahlschneiden lassen sich Parallelitätsabweichungen von etwa 15 µm und Abweichungen 

von der Rechtwinkligkeit von weniger als 45 µm erzielen, wodurch quasi Fertigteilqualität gegeben ist. 

Kriterien zur Bewertung der Schnittfläche und der Schnittspaltausbildung: 

Schnittspaltweiten: 

Die Schnittfugengeometrie zeichnet sich durch eine geringe Spaltweite und ausgeprägte 

Rechtwinkligkeit aus. Die Spaltweite ist von Brennweite der Fokussieroptik und von der Blechdicke 

abhängig. 

Rechtwinkligkeits- und Neigungsabweichungen: 

Mit zunehmender Blechdicke steigt die Unebenheit und der Anschmelzradius. Die Abweichung von 

der Rechtwinkligkeit nimmt ab, da Meßfehler mit zunehmender Blechdicke zurückgehen. 

Je dicker das Blech, desto ungenauer ist die Schnittfläche. Wird stark durch den Gasstrom beeinflußt. 

Abstandsregelungen für das Laserstrahlschneiden: 

– Rollenkopf: rein mechanisch, Probleme beim 3D-Schneiden 

– Kapazitiver Sensorkopf: berührungslos, keine Kollisionsgefahr, funktioniert nicht beim Schweißen, 

durch entstehendes Plasma wird kapazitive Regelung gestört 

Führungssysteme: 

– Kartesische Führungssysteme: 

2D-Anlagen (3 Achsen) oder 3D-Anlagen (5 Achsen), Werkstück und/oder Optik beweglich 

• hohe Bahngenauigkeit 

• hohe Schneidgeschwindigkeiten 

– 

• großer Platzbedarf 

Gelenkarmroboter: 

Standardmäßige Industrieroboter mit sechs rotatorischen Achsen und externer Strahlführung; 

Lichtwellenleiter (bei Nd:YAG) oder Gelenk- oder Teleskoparme (CO2); 

Zusätzliche Achse wird dem Roboter in die Hand gelegt, die nur den Abstand zum Werkstück regelt 

• gute räumliche Zugänglichkeit 

• geringer Platzbedarf 

• einfach in bestehende Fertigungseinrichtungen integrierbar 

• geringe Bahngenauigkeit 

• geringe Schnittgeschwindigkeit

Verfahrensvergleich: 

Stanz-/Nibbelbearbeitung: 

– Blechdicken bis 10mm (Al, Stahl), Kunststoff bedingt bearbeitbar) 

– Umformungen möglich 

– schnelle und kostengünstige Erzeugung von Standardkonturen 

– Verzug und Gratbildung möglich 

– keine Wärmebeeinflussung 

– Einzugsradius vorhanden 

CO2-Laserstrahlschneiden: 

– beliebige Konturen möglich 

– Blechdicken bis 20mm Baustahl/10mm Edelstahl/6mm Al bearbeitbar, Kunststoff bedingt 

– geringer Verzug 

– keine mechanische Belastung 

– i.a. Keine Gratbildung 

Abrasiv-Wasserstrahlschneiden: 

– keine thermische Beanspruchung des Werkstoffs, kein Verzug, keine Gratbildung 

– keine Wärmebeeinflussung 

– große Blechdicken möglich (Stahl, Aluminium bis 100mm) bearbeitbar 

– verschiedenste Werkstoffe wie Kunststoff, Glas, Gestein bearbeitbar 

– auch gefährliche Materialien 

– geringe Schneidgeschwindigkeit 

Plasmaschneiden: 

billiger als Laser, aber langsamer 

Kapitel 6: Laserstrahlumformen, Mikro-/Makrotechnik 

Laserunterstütztes Biegen: 

Durch Laserunterstützung (Aufwärmen des Bauteils) können höhere Biegewinkel erreicht werden. 

Verfahrensintegration: Laserstrahlschweißen im IHU-Werkzeug: 

Die Bleche werden zuerst noch nicht verschweißt, weil in beide Richtungen unterschiedlich viel 

Material benötigt werden kann. Material kann nachlaufen. 

Laserstrahlumformen: 

Wichtige Eigenschaft des Laserstrahlumformens: 

Beim TGM oder des Knickmechanismus tritt generell keine Rückfederung auf!

Mechanismus 1: Temperatur-Gradienten-Mechanismus (TGM) 

– hohe Vorschubgeschwindigkeiten 

– Die Erwärmung des Werkstoffes an der Einstrahlseite bedingt eine thermische Expansion der oberen 

Seite. Folge hiervon ist eine Gegenbieung des Bleches, entgegengesetzt zur, Bestrahlungsrichtung. 

– Weitere Erwärmung, Fließen an der Oberseite, Abbau der Druckspannungen, plast. Stauchung 

– Oberseite wird deutlich mehr gestaucht als an der Unterseite. 

– wird zur Erzeugung von Biegewinkeln entlang einer geraden Biegekante eingesetzt. 

– etwa 1°-3° pro Bestrahlung 

Mechanismus 2: 

Knickmechanismus (KM) 

– geringe Vorschubgeschwindigkeiten 

– homogenes Temperaturfeld, laterale Ausdehnung der erwärmten Zone deutlich größer ist als die 

Blechdicke => aufgeheizter Bereich wird instabil, Druckspannungen führen zum Ausknicken des 

Blechs. Die Ausknickrichtung wird durch die Vorkrümmung des Blechs festgelegt. Somit ist es mit 

dem Knickmechanismus möglich, das Blech sowohl zum Laserstrahl hin als auch von ihm 

wegzubiegen. 

– wird zum Biegen von Blechen entlang gerader (bereits vorhandener) Biegekanten herangezogen. 

– bis zu 15° pro Bestrahlung 

Mechanismus 3: Stauchmechanismus (SM) 

– laterale Ausdehnung der erwärmten Zone in der Größenordnung der Blechdicke, homogen 

– weiteres Erwärmen führt zu Fließen des Werkstoffs, Abbau der Druckspannungen 

=> keine Winkelausbildung, sondern Verkürzen 

– wird z.B. zum Biegen von Profilen eingesetzt. 

Einflussgrößen beim Laserstrahlumformen: 

– Werkstoffparameter (Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient, Wärmekapazität, Dicht, E- 

Modul, Fließgrenze) 

– Laserparameter (Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit, Strahldurchmesser) 

– Bateilparameter (Blechdicke, Länge der Biegekante, Breite der Biegeschenkel, Krümmung) 

Rapid Prototyping von Profilen: 

Bestrahlungsstrategie für 

das Profilbiegen 

Prinzip des Laserstrahljustierens: (Lasermikrotechnik) 

Bi-direktionaler Winkelaktor: 

Erweiterung der Bewegungsmöglichkeiten 

des Aktors durch Einbringen einer Sicke 

Bestrahlung der Stege: 

Biegung in Richtung der Einstrahlseite 

Bestrahlung innerhalb der Sicke: 

Biegung in entgegengesetzter Richtung

Kapitel 7: Oberflächenbehandlung 

Vorteile des Laserstrahlhärtens 

– Partielles Randschichthärten 

– Vergleichsweise geringer Verzug 

– Selbstabschreckung mit hohen Abkühlraten 

– Sichere Bearbeitung unabhängig von Bauteilgröße 

– Hohe Oberflächenhärten bei feinkörnigem Gefüge 

– Hohe Prozesssicherheit durch online Temperaturregelung 

Flüssigphasenverfahren: 

Umschmelzen: 

Die Randschicht des Werkstücks wird über die Schmelztemperatur erwärmt 

Beschichten: 

Aufbringen einer Funktionsschicht, die sich in ihren Eigenschaften grundsätzlich vom Substrat 

unterscheidet. 

=>gute metallische Verbindung zwischen Schicht- und Grundwerkstoff bei minimaler Aufmischung. 

Legieren: 

Aufschmelzen von Grund- und Legierungswerkstoff 

Dispergieren: 

Ziel: zweite Phase gleichmäßig verteilt ins Schmelzbad einbringen, ohne diese aufzuschmelzen, 

dadurch Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Matrix 

Laserstrahlauftragschweißen: 

2-stufiger Prozess: 

1. Auftrag des Zusatzwerkstoffes (Plasmabeschichten, Flammbeschichten, Plattieren, Aufkleben) 

2. (Um)Schmelzen mit dem Laserstrahl 

1-stufiger Prozess (in-situ Prozess): 

Zuführung des Zusatzwerkstoffes während des Prozesses: Pulver, Draht, Folie, Paste, Gas 

Prinzip des Laserstrahlpolierens: 

Schritt 1: Umschmelzen einer dünnen Randschicht (10 - 50 µm) zur Glättung von Makrorauheiten 

Schritt 2: Abdampfen und Umschmelzen von Mikrorauheiten zur Erhöhung des Glanzgrades 

Vergleich der Laserquellen für Oberflächenbehandlung: 

CO2-Laser: hohe Leistung, hohe Anlagenkosten, schlechte Absorption, schlechter Prozesswirkungsgrad 

Nd:YAG-Laser: mäßige Leistung, gute Handhabung, hohe Laserkosten, hohe Verbrauchskosten 

HL-Diodenlaser: ausbaufähige Leistung, gute Handhabung, hoher Prozesswirkungsgrad, günstige 

Verbrauchskosten 

Kapitel 8: Laserstrahltrenne/Laserstralmikrotechnik 

Laserstrahlschneiden im Wasserstrahl 

– Nd:YAG-Laser 

– Wasserstrahl als Lichtleiter => Arbeitsabstand bis 60 mm => Kein Problem mit der Fokuseinhaltung 

– Materialaustrieb über Wasserstrahl 

– Sehr hoher Kühleffekt 

Nachteile: 

- hoher Anlagenpreis 

- Trocknen der BE nach Bearbeitung 

- kein Einsatz bei wasserempfindlichen BE 

Vorteile: 

+ hohe Flexibilität, hohe v 

+ kein Verschleiß 

+ kaum thermische Belastung 

+ gute Qualität der Kante 

+ freigespannte Folien schneidbar

Vergleich mit anderen Verfahren: 

Konventioneller Laser: 

- Abstandsregelung u.U. problematisch 

- Flattern der Folie durch Schneidgas 

- aufwendige Fixierung 

- thermische Beeinflussung der Kante 

- z.T. Oxidation, Schmelzperlen 

+ hohe Flexibilität 

+ kein Verschleiss 

Drahterodieren im Stapel: 

- Anlagenpreis 

- geringe v 

- beschränkte Dimensionen 

+ hohe Präzision 

+ hohe Kantenqualität 

+ hohe Flexibilität 

Stanzen: 

- Werkzeugkosten 

- Werkzeugbau 

- Verschleiß 

- Gratbildung 

+ Anlagenpreis 

+ keine therm. Schädigung 

Femtosekundenlaser: 

Handelsübliche Femtosekundenlaser für Schneidaufgaben in der Mikrobearbeitung; 

Saubere Schnittspalte bei fs-Pulsen und keine Debrisbildung 

Laserstrahlbohren: 

Laserstrahlbeschriften:

Kapitel 9: 

Ultrakurzpulslasern: 

Laserstrahlablation mit ultrakurzen Pulsen: 

Laserpuls und Plasmabildung sind zeitlich voneinander getrennt, es kommt zu keiner Interaktion der 

Laserstrahlung mit dem Plasma aus dem Materialabtrag (aber mit dem Luftionisationsplasma) 

Bei UKL herrscht kein thermisches Gleichgewicht. Nicht das Metallgitter, sondern die Elektronen 

werden in Schwingungen versetzt. 

=> Übertragung der Energie von den Elektronen auf das Gitter 

=> Abtragung findet statt, wenn die Laserbestrahlung bereits vorbei ist

Zusammenfassung

Erfolgreiche ePaper selbst erstellen

Template löschen?

Als Template speichern?