UKP-Laser mit dynamischer Reprate
Zur Steigerung des Durchsatzes in der Materialbearbeitung werden seit einigen Jahren sehr erfolgreich hochrepetierende UKP-Laser mit Wiederholraten im MHz-Bereich in Verbindung mit sehr schnellen Ablenkeinheiten wie z.B. Polygonscannern eingesetzt. Eine interessante Alternative zu den sich allmählich etablierenden Polygonscannern stellen neuartige resonante Scanner dar. Durch diese „oszilliert“ der Laserstrahl alternierend zwischen zwei Umkehrpunkten über das Werkstück und erreicht dadurch vor allem im Nulldurchgang sehr hohe Ablenkgeschwindigkeiten, womit potentiell noch höhere Wiederholraten möglich werden. Zu den Umkehrpunkten hin verlangsamt sich die Ablenkung jedoch kontinuierlich und so stark, dass es bei Verwendung einer konstanten Wiederholrate zu einem immer größeren Impulsüberlapp und im schlimmsten Fall zu Einbränden auf dem Werkstück kommt. Dies verhinderte in der Vergangenheit die sinnvolle Anwendung von resonanten Scannern. Durch die Verwendung von Lasersystemen mit stufenlos variabler Wiederholrate lässt sich dieser Effekt jedoch exakt kompensieren. Die Wiederholrate muss dabei nur permanent auf die momentane Ablenkgeschwindigkeit des Scanners synchronisiert sein, womit zu jeder Zeit ein konstanter Impulsüberlapp beibehalten wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht auch die Optimierung anderer Anwendungsbereiche wie z.B. das Laserdrehen, wo aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser des Werkstücks und der konstanten Drehgeschwindigkeit teilweise stark unterschiedliche Oberflächenbahngeschwindigkeiten auftreten.
Die Einstellung der Wiederholrate basiert bei modengekoppelten UKP-Strahlquellen auf dem Prinzip des Pulse-Pickings. Dadurch werden jedoch nur ganzzahlige Teilungsverhältnisse der fundamentalen Wiederholrate erreichbar. Da die Fundamentalrate typischer Festkörper- und Faserlaser im Bereich zwischen 20 MHz und 100 MHz liegt, liegen die resultierenden Wiederholrate im MHz-Bereich sehr weit auseinander (vgl. Abb. 1). Um eine annähernd kontinuierliche Verteilung in diesem Bereich zu erhalten, muss die fundamentale Wiederholrate drastisch erhöht und die Schaltzeit des Pickers drastisch verringert werden. Von unserem Partner Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz Institut für Höchstfrequenz in Berlin wurde daher eine neuartige, halbleiterbasierte Strahlquelle entwickelt, deren Fundamentalrate bei 4 GHz liegt und deren Picker eine Schaltzeit von etwa 200 ps aufweist. Dadurch werden ultrakurze Impulse im MHz-Bereich mit nahezu beliebiger Wiederholrate bereitgestellt.
Die für die Materialbearbeitung nötige Verstärkung der Impulse aus den Halbleiterkomponenten wurde in unserem Haus realisiert und basiert unter anderem auf der Faserverstärkertechnologie. Es sind Ausgangsleistungen von bis zu 200 W erreichbar, wobei nach der nichtlinearen Frequenzkonversion in den grünen Spektralbereich noch immer 130 W bereitstehen. Dieses Lasersystem ermöglicht nun erstmalig die ultraschnelle und nahezu kontinuierliche Anpassung der Wiederholrate während des Betriebs. Abbildung 2 zeigt z.B. die Messung einer sinusförmigen Variation der Wiederholrate zwischen 5 MHz und 10 MHz mit einer Variationsfrequenz von 8 kHz bzw. 32 kHz. Zur besseren Übersicht ist jeweils nur jeder 10. Impuls gezeigt. Da die Einzelimpulsverstärkung abhängig von der Sättigung und diese wiederum abhängig von der Wiederholrate ist, kommt es zu einer Schwankung der Impulsenergie. Diese Schwankung fällt aufgrund der Trägheit des aktiven Mediums bei hohen Variationsfrequenzen geringer aus. Die restliche Schwankung kann durch eine passive Laserenergiekontrolle kompensiert werden.
Abbildung 1: Erreichbare effektive Wiederholraten durch Pulse-Picking bei unterschiedlichen fundamentalen Wiederholraten
Abbildung 2: Sinusförmige Variation der Wiederholrate zwischen 5 MHz und 10 MHz bei einer Variationsfrequenz von 8 kHz bzw. 32 kHz. Zur besseren Übersicht ist nur 10. Impuls gezeigt.