Laserleistungsdichte und -energiedichte

Leistung und Energiedichte sind zwei wichtige Begriffe, die verstanden werden sollten, wenn man sich mit Laseroptik beschäftigt. Die beiden Begriffe werden häufig synonym verwendet, haben aber eigentlich unterschiedliche Bedeutungen. In Tabelle 1 werden Leistungsdichte, Energiedichte und andere verwandte Begriffe im Zusammenhang mit der Laseroptik definiert.

Tabelle 1: Definitionen gängiger Größen zur Beschreibung von Laserstrahlen und anderen elektromagnetischen Strahlungen.

In den meisten wissenschaftlichen Bereichen, einschließlich Chemie und Elektrotechnik, beschreiben die Begriffe "Leistungsdichte" und "Energiedichte" in der Regel ein dreidimensionales Volumen. In der Optik werden die Begriffe jedoch häufig zur Beschreibung einer zweidimensionalen Fläche verwendet, es sei denn, sie werden als "volumetrisch" bezeichnet. Leistungsdichte, Energiedichte, Fluenz und Bestrahlungsstärke werden in der Optikbranche häufig synonym verwendet, was vollkommen falsch sein kann, insbesondere wenn nicht klar ist, ob es sich um einen zwei- oder dreidimensionalen Wert handelt. Dies ist besonders wichtig für Laserschneid- und -schweißanwendungen, da die Eindringtiefe des Lasers berücksichtigt werden muss und nicht nur der Laserstrahl auf der Oberfläche. Volumetrische Werte sind in der Regel besser für die oben genannten Anwendungen geeignet, sodass dieser wichtige Unterschied unbedingt berücksichtigt werden sollte, um Missverständnisse zu vermeiden.

Die meisten Laserstrahlen haben ein gaußsches Strahlprofil, d. h. Bestrahlungsstärke und Fluenz sind auf der optischen Achse des Lasers am höchsten und nehmen mit zunehmender Abweichung von der Achse ab.⁶ Andere Laser haben Flat-Top-Profile, die im Gegensatz zu Gaußstrahlen ein konstantes Bestrahlungsstärkeprofil über den Querschnitt des Laserstrahls und dann einen schnellen Intensitätsabfall aufweisen. Folglich haben Flat-Top-Laser keine Peak-Bestrahlungsstärke. Die Spitzenleistung eines Gaußstrahls ist bei gleicher Durchschnittsleistung doppelt so hoch wie die eines Flat-Top-Strahls (Abbildung 1).

Abbildung 1: Vergleich eines gaußschen Strahlprofils mit einem Flat-Top-Strahl mit gleicher mittlerer Leistung, der zeigt, dass die Spitzenleistung des Gaußstrahls um den Faktor zwei größer ist als die des Flat-Top-Strahls.

Hotspots oder lokale Schwankungen der Bestrahlungsstärke in einem Laserstrahl können dessen gaußsche Verteilung verändern. Hotspots wirken sich nicht auf die Peak-Bestrahlungsstärke aus, es sei denn, die Hotspot-Leistung übersteigt die Leistung auf der optischen Achse, aber Hotspots verändern die Werte für Leistung und Energiedichte. Da sowohl Leistungs- als auch Energiedichte volumetrische Größen sind, könnte der vom Laser ausgeführte Schnitt möglicherweise nicht so genau oder verschoben sein. Bei Mikrobearbeitungsanwendungen können die Benutzer dieses Problem allerdings nicht einfach durch Messung der Bestrahlungsstärke oder der Fluenz erkennen, sondern es ist eine sorgfältige Überwachung des Strahlprofils notwendig. Wie in Abbildung 2 dargestellt, ähnelt eine Gauß-Verteilung einer Glockenkurve, bei der die Peak-Bestrahlungsstärke in der Mitte liegt und die Bestrahlungsstärke zu beiden Seiten gleichmäßig abfällt. Durch einen Hotspot wird diese Verteilung verändert.

Abbildung 2: Darstellung von Hotspots, die die Intensitätsverteilungen von Gauß- und Flat-Top-Strahlen verändern.

Auch kontinuierliche Laser (CW) erfordern eine korrekte Terminologie, um ihre Leistung genau zu beschreiben. Sie haben per Definition keine Pulse, daher kann der Begriff Peak-Bestrahlungsstärke nicht verwendet werden. Der geeignete Begriff für CW-Laser mit gleichmäßiger Strahlintensität ist die lineare Dichte und sie wird in der Regel zur Bestimmung der LIDT verwendet, indem die mittlere Leistung durch den Strahldurchmesser geteilt wird. Bei „Quasi-CW-Lasern“, d. h. Ultrakurzpulslasern mit einer Wiederholrate von über 50 KHz, kann die Peak-Bestrahlungsstärke deutlich höher sein als bei einem normalen gepulsten Laser mit gleicher Durchschnittsleistung. Das liegt daran, dass die äquivalente Durchschnittsleistung in einer unglaublich kurzen Pulsdauer verdichtet wird. Die Peak-Bestrahlungsstärke von „Quasi-CW-Lasern“ ist viel höher als die Bestrahlungsstärke von CW-Lasern, selbst wenn sie die gleiche Fluenz haben.

Literatur

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