Die Rollen von Pulsbreite und Frequenz in Lasern

In einem Laserbearbeitungssystem sind Frequenz und Pulsbreite die Schlüsselparameter, die die Energieverteilung des Strahls, die Intensität der Wärmezufuhr und die Qualität der Bearbeitung beeinflussen. Beide bestimmen den Energiefreisetzungsmodus des gepulsten Lasers, die Spitzenleistungsstufe und das Erwärmungsverhalten des Materials und sind die Kernindikatoren bei der Konstruktion und Prozesseinstellung von Laseranwendungen. 
I. Die Rolle der Frequenz in Lasern 
Beeinflussung der Art und Weise, wie Energie innerhalb einer Zeiteinheit ausgegeben wird
Die Laserfrequenz gibt die Anzahl der Laserpulse an, die sich innerhalb einer Sekunde wiederholen. Je höher die Frequenz, desto mehr Pulse gibt es und desto kontinuierlicher ist die Wärmezufuhr innerhalb einer Zeiteinheit. Bei gleicher Durchschnittsleistung reduziert eine Erhöhung der Frequenz die Energie eines einzelnen Pulses. 
Beeinflussung der Verarbeitungsgeschwindigkeit und der wärmebeeinflussten Zone
Bei höheren Frequenzen werden die Laserwirkpunkte gleichmäßiger erhitzt, was die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöhen kann, aber auch zu einer Zunahme der Wärmeakkumulation im Material führt. Niedrige Frequenzen werden für Anwendungen verwendet, die eine hohe Einzelpulsenergie erfordern, wie z. B. Tiefenätzung oder das Eindringen in stark reflektierende Materialien. 
Beeinflussung der Oberflächenqualität
Eine sinnvolle Frequenzeinstellung kann Schlacke reduzieren, Wärmeschäden minimieren und die Schnitt- oder Markierungsbahn stabilisieren. Eine zu hohe Frequenz kann zu ungleichmäßiger Oberflächenerosion des Materials oder verschwommenen Texturen führen. 
II. Die Rolle der Pulsbreite in Lasern 
Bestimmung der Spitzenleistung und Pulsbreite des Pulses.
Die Pulsbreite bezieht sich auf die Dauer eines einzelnen Laserpulses. Bei gleicher Pulsenergie gilt: Je kürzer die Pulsbreite, desto höher die Spitzenleistung. Kurze Pulsbreiten werden für die Bearbeitung von Materialien verwendet, die empfindlich auf thermische Effekte reagieren. 
Einfluss auf die Absorptions- und Verdampfungsmechanismen von Materialien
Laser mit kurzer Pulsbreite treten oft in einen nicht-thermischen Verarbeitungsmodus ein, der dem "Kaltbearbeiten" näher kommt und die Wärmeausbreitung und Schmelzphänomene reduzieren kann. Lange Pulsbreiten zeigen hauptsächlich thermische Effekte und eignen sich für das Schmelzen, Beschichten oder thermische Abscheiden von Materialien. 
Beeinflussung der Bearbeitungsgenauigkeit und Kantenqualität
Nanosekunden-, Pikosekunden- und Femtosekunden-Pulsbreiten führen zu unterschiedlichen thermischen Einflussbereichen während der Bearbeitung. Je kürzer die Pulsbreite, desto kleiner der thermische Einflussbereich, was sich für die Präzisionsbearbeitung oder die Mikrostrukturierung eignet. 
III. Der Synergieeffekt von Frequenz und Pulsbreite 
Bestimmung des Gleichgewichts zwischen Durchschnittsleistung und Spitzenleistung.
Durchschnittsleistung = Einzelpulsenergie × Frequenz.
Bei fester Durchschnittsleistung reduziert eine Erhöhung der Frequenz die Einzelpulsenergie und verändert dadurch die Spitzenleistung. Die Pulsbreite beeinflusst weiterhin das Energiedichteprofil jedes Pulses. 
Einfluss auf die Verarbeitungseffizienz und die Wärmekontrolle
Durch die Anpassung von Frequenz und Pulsbreite kann das Verhältnis zwischen Verarbeitungseffizienz und thermischem Einfluss gesteuert werden, wodurch verschiedene Verfahrensmodi wie Hochgeschwindigkeitsmarkierung, Tiefengravur oder präzise Entfernung ermöglicht werden. 
Einfluss auf die Anpassungsfähigkeit verschiedener Materialien
Unterschiedliche Materialien haben unterschiedliche Empfindlichkeiten gegenüber dem Laserenergieablagerungsmodus. Die Kombination aus Frequenz und Pulsbreite bestimmt die Reaktion der Materialien, wie z. B. Schmelzen, Verdampfen, Plasmaentstehung usw.