CO2 Laser - Funktionsweise und Anwendungsgebiete

1. Begriffsdefinition

Der CO2 Laser, seltener auch als Kohlendioxidlaser bezeichnet, gehört zur Gruppe der Gaslaser. Der CO2 Laser emittiert im mittleren Infrarot zwischen ~9µm bis ~11µm Wellenlänge, wobei die stärkste Emissionslinie häufig bei 10,6µm (seltener bei 9,3µm oder 10,2µm) liegt. Der CO2 Laser bildet gemeinsam mit den Nd:YAG / Faserlasern das Rückgrat der industriellen Lasertechnik. Er kann sehr hohe mittlere Ausgangsleistungen bis 80 kW und Pulsenergien bis 100 kJ abgeben. Da CO2 Laser einen für Gaslaser relativ hohen Wirkungsgrad bis zu 15% haben und kostengünstig in der Anschaffung sind, finden sie sich besonders in der industriellen Metallbearbeitung als auch für das Schneiden und Markieren organischer Werkstücke.
Der CO2 Laser existiert seit 1964 und wurde von Kumar N. Patel in den Bell Laboratories (USA) erdacht und entwickelt.

2. Funktionsweise eines CO2 Lasers

Grundlegend für die Funktion der Laserquelle ist die sogenannte Anregung. Diese erfolgt für gepulste CO2 Laser indem mittels Antennen elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz im zig-Megahertzbereich in das Gasgemisch aus CO2, N2 (Stickstoff) und He (Helium) eingestrahlt werden. Kontinuierlich emittierende CO2 Laser können mittels Hochspannung bis etwa 20000 Volt und daraus resultierender Glimmentladung angeregt werden. 

Die Anregung sorgt letztlich dafür, dass CO2 Moleküle auf ein höheres Energieniveau gebracht werden. Die höhere Energie ist in Form von Rotation oder Vibration der CO2 Moleküle im Resonator gespeichert. Trifft nun ein Photon geeigneter Wellenlänge (mittleres Infrarot) auf ein angeregtes CO2 Molekül, so kommt es zur sogenannten "stimulierten Emission", d.h. die in Rotation oder Vibration gespeicherte Energie wird als Photon abgegeben. Das einfallende Photon hat somit ein "Zwillingsphoton" erzeugt und die Energie des CO2 Moleküls um die Energie des Zwillingsphotons herabgesetzt (als direkte Konsequenz der Energieerhaltung). Wenn es also genügend angeregte CO2 Moleküle gibt, erhöht sich die Anzahl der durch stimulierte Emission erzeugten Photonen exponentiell ("Lawineneffekt").

Der erzeugte Laserstrahl wird über Spiegel in die Richtung des zu bearbeitenden Werkstückes gelenkt. In einem Schneidkopf, der unmittelbar über dem Werkstück platziert ist, wird der Laserstrahl fokussiert. Trifft der Laser noch mit rund 20 mm Durchmesser auf den Schneidkopf, so wird er dort mittels einer Sammellinse auf  z.B. 0,1 mm Durchmesser in der Brennebene fokussiert. 
Beim Schneidkopf bzw. nahe beim Punkt, wo der Laserstrahl auf das Werkstück trifft, wird oft auch Gas zugeführt. Sauerstoff zum Brennschneiden – d.h. die Oxidation des Werkstückes durch Sauerstoffzugabe unterstützt den Schneidprozess. Inertgas (häufig Stickstoff oder Argon) hingegen soll Oxidationsprozesse möglichst minimieren.

Im Fokuspunkt, also genau da, wo der Laserstrahl auf das Werkstück fokussiert auftrifft, entstehen bei jedem (!) Schneid- oder Gravurprozess Temperaturen, die oberhalb der Verdampfungstemperatur des jeweiligen Materials liegen. Die Verdampfung verursacht dann eine Gravur oder den Schnittspalt. 

3. Bauformen eines CO2 Lasers

Längs- und quergeströmter Laser

Diese Bauform ist vergleichsweise simpel und findet häufig bei Lasern mit hoher Ausgangsleistung Anwendung. Beim längs- und quergeströmten Laser wird ein Lasergas kontinuierlich mittels einer Vakuumpumpe durch eine Entladungsröhre gesaugt. Durch eine Gleichstromentladung wird ein Teil des im Gasgemisch enthaltenen Kohlendioxids zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff aufgespalten. Durch mehrere Pumpen im Rohrsystem wird das Gasgemisch kontinuierlich umgewälzt und so ein effizienterer Abtransport der Verlustwärme ermöglicht.

Abgeschlossener Laser

Bei dieser Bauform wird das Gasgemisch nicht durch eine Pumpe ausgetauscht, sondern es findet eine Zugabe von Wasserstoff, Wasserdampf und Sauerstoff zu dem Gasgemisch statt. Durch diese Beimischungen wird dafür gesorgt, dass das entstehende Kohlenstoffmonoxid über eine Elektrode aus Platin zu Kohlenstoffdioxid reagiert CO2 wird also katalytisch regeneriert.

Wellenleiterlaser

Der auch als Slablaser bekannte Wellenleiterlaser nutzt zwei Elektroden als Wellenleiter und hat einen Resonator, der quaderförmig ist. Da der Querschnitt ein hohes Aspektverhältnis hat (z.B. Höhe zu Breite 10:1), hat der Resonator eine relativ große Oberfläche im Vergleich zum Volumen. Dies erlaubt einen effizienten Abtransport der Verlustwärme.

TEA-Laser

Der „transversal-angeregte-Atmosphärendruck-Laser“, kurz TEA, kommt immer dann zum Einsatz, wenn hohe Gasdrücke bis zu einem Bar bei Pulsdauern bis zu 100 ns benötigt werden. Bei dieser Bauform wird die Entladungsspannung in kurzen Pulsen von unter einer Mikrosekunde quer zum Gasfluss angelegt. So werden Lichtbogen vermieden.

4. Was kann man mit einem CO2 Laser machen?

CO2 Laser werden im Leistungsbereich von 10 bis 400 Watt zum Schneiden, Perforieren oder Gravieren von dünnen, organischen Materialien wie beispielsweise Holz, Textilien oder Kunststoffen verwendet. Sehr hohe Schnittqualität kann beim Schneiden von PMMA ("Acryl", "Plexiglas") erzielt werden – die Schnittkanten sind bei richtiger Prozessführung genauso transparent  wie alle anderen Oberflächen des Werkstückes.

CO2 Laser mit erhöhter Leistung zwischen 1 bis 6 Kilowatt sind typische Industrielaser, die zum Schweißen, Härten oder Umschmelzen von Metallen eingesetzt werden. In der modernen Fertigung dienen die CO2 Laser auch zunehmend zum oxidfreien Laserschneiden. Vor allem bei kleinen Losgrößen bei der Blechbearbeitung kommen die Laserschneidanlagen zum Einsatz. Bei großen Stückzahlen hingegen ist das Stanzen immer noch die wirtschaftlichere Variante. 

Der CO2 Laser wird in unterschiedlichsten Branchen eingesetzt. Ganz vorne dabei ist die Automobilindustrie, wo die Laser unter anderem bei der Perforation der Sollbruchstelle im Amaturenbrett für Airbags eingesetzt werden. Auch Dachhimmel oder Seitenverkleidungen werden mittels CO2 Laser gefertigt. 
In der Bekleidungsindustrie gibt es eine Vielzahl an Anwendungsbereichen für den CO2 Laser. Beginnend bei den Zuschnitten von Stoffen bis hin zum Texturieren von Jeans stellt der Laser ein umweltfreundliches Alternativverfahren zu chemischen und abrasiven Verfahren da. 

Ein zukunftsfähiger Markt für den CO2 Laser ist das Schneiden von faserverstärkten Kunststoffen wie GFK und CFK. Hier sind es die Automobilbrache, die Luftfahrt oder die Windenergie, bei denen die faserverstärkten Kunststoffe als Teil der Antwort auf wichtige Fragen der Zeit, wie Nachhaltigkeit, Ressourceneffizienz oder Klimaschutz dienen.

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